DE2431040A1 - METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING A MAGNETIC CHANGE IN STATE BY MEANS OF EDBY CURRENTS - Google Patents

METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING A MAGNETIC CHANGE IN STATE BY MEANS OF EDBY CURRENTS

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DE2431040A1
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Gerard Labbe
Charles Maeder
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INSTITUT DE RECHERCHES DE LA SIDERURGIE PRANQAISEINSTITUT DE RECHERCHES DE LA SIDERURGIE PRANQAISE

185, rue President Roosevelt Saint-Germain-en-Laye / Frankreich185, rue President Roosevelt Saint-Germain-en-Laye / France

Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung einer magnetischen Zustandsänderung mittels WirbelströmeMethod and device for determining a magnetic change in state by means of eddy currents

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Änderung des magnetischen Verhaltens eines elektrisch leitenden Materials, wobei in dem Material mittels einer Induktionsspule Wirbelströme erzeugt und die Änderungen der Impedanz der Induktionsspule analysiert werden. Speziell bezieht sich die Erfindung auf solche Verfahren und Geräte, bei denen die Impedanz der Induktionsspule wesentlich durch Änderungen des Luftspaltes beeinflußt wird.The invention relates to a method and an apparatus for determining a change in the magnetic behavior of an electrically conductive material, wherein in the material Eddy currents are generated by means of an induction coil and the changes in the impedance of the induction coil are analyzed will. In particular, the invention relates to such methods and devices in which the impedance of the induction coil is significantly influenced by changes in the air gap.

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Unter einer Änderung des magnetischen Verhaltens wird
hier vor allem der Übergang eines Materials von einem
ersten nicht-magnetischen in einen zweiten magnetischen Zustand eines Materials oder ein Übergang in umgekehrter Richtung verstanden, wobei dieser Übergang beispielsweise in Abhängigkeit von der Temperatur eintritt.
Under a change in magnetic behavior becomes
here above all the transition of a material from one
Understood first non-magnetic into a second magnetic state of a material or a transition in the opposite direction, this transition occurring, for example, as a function of the temperature.

Wird eine von einem Wechselstrom durchflossene Spule in der Nähe eines elektrisch leitenden Materials, z.B. in
der Nähe eines Metalls oder einer Legierung angeordnet, so werden aufgrund des magnetischen Feldes der Spule im Inneren des leitenden Materials Wirbelströme induziert. Diese Induktionsströme rufen ihrerseits ein magnetisches Feld hervor, das dem in der Spule erzeugten magnetischen Feld entgegengerichtet ist. Gegenüber dem Fall ohne das induzierte Magnetfeld ändert sich dadurch scheinbar die Impedanz der Spule. Jede Änderung in der Intensität oder der Verteilung der Induktionsströme in dem Material zieht eine Änderung des induzierten Magnetfeldes nach sich, wodurch eine zusätzliche Variation des Scheinwiderstandes der Spule hervorgerufen wird.
If an alternating current flows through a coil near an electrically conductive material, e.g. in
placed in the vicinity of a metal or an alloy, eddy currents are induced in the interior of the conductive material due to the magnetic field of the coil. These induction currents in turn produce a magnetic field that is opposite to the magnetic field generated in the coil. Compared to the case without the induced magnetic field, this apparently changes the impedance of the coil. Any change in the intensity or distribution of the induction currents in the material results in a change in the induced magnetic field, which causes an additional variation in the impedance of the coil.

Auf dem einschlägigen Fachgebiet ist bereits versucht worden, eine Korrelation zwischen der Impedanzänderung einerseits und den Erscheinungen, die eine Störung der Induktionsströme nach sich ziehen, andererseits, aufzustellen. Attempts have already been made in the relevant technical field to establish a correlation between the change in impedance on the one hand and on the other hand the phenomena which cause a disturbance of the induction currents.

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Gewisse Erscheinungen ziehen eine vorherrschende Änderung entweder in der ohmschen oder in der induktiven Komponente des Scheinwiderstandes nach sich. In diesem Fall ist die Aufstellung einer solchen Korrelation verhältnismäßig einfach, indem die Amplituden- und die Phasenänderungen eines der Impedanz entsprechenden Signals ermittelt werden.Certain phenomena draw a predominant change either in the ohmic or in the inductive component of the impedance. In this case it is Establishing such a correlation is relatively simple by adding the amplitude and phase changes a signal corresponding to the impedance can be determined.

Dagegen erweist es sich als schwierig, unter Ausschaltung von Mehrdeutigkeiten die Art der eine bestimmte Impedanzänderung hervorruf enden Erscheinung zu bestimmen, wenn mehrere Erscheinungen gleichzeitig die beiden Impedanzkomponenten beeinflussen. Die bislang angewandten Verfahren zur Auswertung des an der Spule abgegriffenen Originalsignals sind meist kompliziert; daher lassen sich die Informationen, die man durch verschiedene Zerlegungen des Originalsignals erhalten kann, nur sehr schwer in eindeutiger Weise erklären. *On the other hand, it proves difficult, while eliminating ambiguities, the type of a certain impedance change to determine the cause of the appearance, if several appearances at the same time the two impedance components influence. The procedures used so far to evaluate the tapped on the coil Original signals are usually complicated; therefore the information that can be obtained through different decompositions of the original signal is very difficult to get in explain clearly. *

Eine Änderung im magnetischen Verhalten eines Materials kann ohne Zweideutigkeit dadurch nachgewiesen werden, daß eine von· einem Wechselstrom gespeiste und in einem gegenüber dem zu untersuchenden Material konstanten Luftspalt angeordnete Spule verwendet wird.A change in the magnetic behavior of a material can be demonstrated without ambiguity by the fact that a · fed by an alternating current and arranged in an air gap that is constant with respect to the material to be examined Coil is used.

Die Änderung des magnetischen Verhaltens eines Materials zieht eine Änderung der Phase und der Amplitude des Aus-The change in the magnetic behavior of a material causes a change in the phase and amplitude of the output

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gangssignals der Spule nach sich. Wenn gleichzeitig noch eine andere Erscheinung einen ähnlichen Effekt ergibt, ist es offensichtlich unmöglich, eine unmittelbare Beziehung zwischen der einen oder der anderen auftretenden Erscheinung und der Änderung des Ausgangssignals der Spule herzustellen. Die Variation des Luftspaltes stellt eine Erscheinung der vorgenannten Art dar. Deshalb ist bisher kein einfaches Mittel bekannt, womit eine Änderung des magnetischen Verhaltens eines Materials in eindeutiger Weise ermittelt werden kann, wenn der Luftspalt nicht sehr genau konstant bleibt, beispielsweise wie im Falle eines vorbeilaufenden Erzeugnisses, das Schwingungen ausführt öder eine wellenförmige Oberfläche aufweist.output signal of the coil after itself. If at the same time another phenomenon produces a similar effect, it is obviously impossible to have an immediate relationship occurring between one or the other Appearance and change in the output signal of the coil. The variation of the air gap represents a Appearance of the aforementioned type. Therefore, no simple means is known so far, whereby a change in the magnetic behavior of a material can be determined in a unique way if the air gap is not very precisely remains constant, for example, as in the case of a passing product that carries out vibrations or has a wavy surface.

Der Erfindung liegt daher die -Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, womit auch dann eine Änderung des magnetischen Verhaltens eines Materials in einfacher Weise ermittelt werden kann, wenn die Entfernung zwischen der Induktionsspule und dem Material Variationen unterworfen ist, die die Impedanz der Spule wesentlich beeinflussen.The invention is therefore based on the task of a method indicate, which also then changes the magnetic behavior of a material in a simple manner can be determined when the distance between the induction coil and the material is subject to variations which significantly affect the impedance of the coil.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Spule mittels einer Wechselstromquelle mit im wesentlichen konstanter effektiver Stromstärke gespeist wird und dem an den Klemmen der Spule bei Ab-To solve this problem, it is proposed according to the invention that the coil by means of an alternating current source is fed with an essentially constant effective current strength and the at the terminals of the coil when

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Wesenheit des zu untersuchenden Materials auftretenden Spannungssignal ein bezüglich Amplitude und Phase entsprechendes Spannungssignal zur Abgleichung entgegengerichtet wird, und daß das aus der Änderung der Impedanz der Spule bei Anwesenheit des Materials resultierende Unsymmetriesignal gemessen und ein der Phasenverschiebung des Unsymmetriesignals gegenüber einem Bezugssignal entsprechendes , der Erkennung des Zustandsüberganges dienendes Signal erzeugt wird.The essence of the material to be investigated Voltage signal, a voltage signal corresponding in terms of amplitude and phase is directed in the opposite direction for adjustment and that it results from the change in the impedance of the coil in the presence of the material Measured unbalance signal and a phase shift of the unbalance signal with respect to a reference signal corresponding , the recognition of the state transition signal is generated.

Das leitende Material kann vorteilhafterweise aus einem Metall bestehen, das in Abhängigkeit von der Temperatur einen Übergang von einem ersten paramagnetischen Kristallzustand zu einem zweiten ferromagnetischen Kristallzustandoder einen Übergang in umgekehrter Richtung ausführt. Wenn der erste kristalline Zustand und der zweite kristallineThe conductive material can advantageously consist of a metal that depends on the temperature a transition from a first paramagnetic crystal state to a second ferromagnetic crystal state, or performs a transition in the opposite direction. When the first crystalline state and the second crystalline

Zustand von derselben Art sind, zeigt das der Phasenverschiebung entsprechende Signal qualitativ an, daß die Temperatur des Materials dem Curie-Punkt dieses Materials entspricht. Wenn dagegen der erste kristalline Zustand und der zweite kristalline Zustand unterschiedlicher Art sind, zeigt das genannte Phasenverschiebungssignal qualitativ einen kristallinen Übergang des Materials vom ersten zum zweiten kristallinen Zustand an.State are of the same kind, the signal corresponding to the phase shift qualitatively indicates that the Temperature of the material corresponds to the Curie point of that material. If, on the other hand, the first crystalline state and the second crystalline state are different in nature, shows said phase shift signal qualitatively a crystalline transition of the material from the first to the second crystalline state.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßenAn apparatus for carrying out the invention

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Verfahrens enthält vorteilhafterweise einen zwischen einem Wechselspannungsgenerator und der Induktionsspule angeordneten Stromstärkeregler zur Speisung der Spule mit im wesentlichen konstanter Stromstärke, so daß die Spannungsänderungen an den Klemmen der Spule ein Abbild der Impedanzänderungen in der Spule sind, eine Abgleichschaltung mit auf die Amplitude und die Phase der Generatorspannung einwirkenden Regelorganen zur Erzeugung eines zu dem an den Klemmen der Spule auftretenden Spannungssignal entsprechenden Signal, einen Vergleicher, dessen Eingänge mit dem Spulensignal einerseits und dem Signal der Abgleichschaltung andererseits beaufschlagt sind, und einen Phasendiskrimxnator zur Erzeugung eines der Phasenverschiebung des Ausgangssignals des Vergleichers gegenüber einer Bezugsphase entsprechenden Signal.The method advantageously includes one between an alternating voltage generator and the induction coil arranged current regulator for feeding the coil with a substantially constant current so that the Voltage changes at the terminals of the coil are an image of the impedance changes in the coil, a balancing circuit with regulating organs acting on the amplitude and the phase of the generator voltage for generating a too the signal corresponding to the voltage signal appearing at the terminals of the coil, a comparator, its inputs are acted upon by the coil signal on the one hand and the signal of the balancing circuit on the other hand, and one Phase discriminator for generating one of the phase shift of the output signal from the comparator signal corresponding to a reference phase.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vird das komplizierte Problem der Analyse eines gleichzeitig in entsprechender Weise durch zwei verschiedenartige Erscheinungen beeinflußten Signals auf ein einfaches Problem einer Phasenermittlung zurückgeführt, wofür verschiedene Lösungen bekannt sind. Damit kann man in eindeutiger Weise eine direkte Beziehung zwischen der Änderung eines zu dem einen der beiden Erscheinungen gehörenden Parameters, im vorliegenden Fall der Permeabilität des Materials, und der von dem Phasendiskrimxnator abgeleiteten Information herstellen, in derThis becomes complicated with the method according to the invention Problem of analyzing one affected by two different phenomena at the same time Signal traced back to a simple problem of phase determination, for which various solutions are known. In this way one can clearly establish a direct relationship between the change in one to one of the two phenomena associated parameter, in the present case the permeability of the material, and that of the phase discriminator produce derived information in the

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Weise, daß das anfänglich kompliziert erscheinende Problem vollständig gelöst wird.Way that the problem, which at first appears complicated, is completely solved.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigenIn the following the invention will be explained with reference to the drawings explained in more detail. Show it

Fig. 1 ein komplexes Impedanz-Diagramm einer von einem Wechselstrom gespeisten und in einer variablen Entfernung von einem elektrisch leitenden Material angeordneten Spule;Fig. 1 is a complex impedance diagram of a powered by an alternating current and in a variable Removing a coil disposed on an electrically conductive material;

Fig. 2 ein Diagramm der verschiedenen Ausgangssignale der Spule, deren Verhalten in dem Diagramm der Fig. 1 dargestellt ist;Fig. 2 is a diagram of the various output signals the coil, the behavior of which is shown in the diagram of FIG. 1;

Fig. 3 ein Impedanz-Diagramm, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht ist;3 shows an impedance diagram in which the method according to the invention is illustrated;

Fig. 4 ein Diagramm, in welchem die Art der Änderung des Signals dargestellt ist, das entsprechend dem in dem Diagramm der Fig. 3 veranschaulichten Verfahren erzeugt wird;Fig. 4 is a diagram in which the type of change of the signal is shown according to the method illustrated in the diagram of FIG. 3 is produced;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;Fig. 5 is a block diagram of a device for implementation of the method according to the invention;

Fig. 6 eine geschnittene Detail-Ansicht eines induktiven Meßfühlers; ,6 shows a sectional detail view of an inductive measuring sensor; ,

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Fig. 7 einige Diagramme über den Verlauf der Signale an verschiedenen Punkten der in Fig. 5 gezeigten Vo rr ichtung.7 shows some diagrams of the course of the signals at various points on the device shown in FIG.

Das elektrische Verhalten einer Spule, deren Klemmen mit einer Wechselspannung V beaufschlagt sind, wird durchThe electrical behavior of a coil, the terminals of which are subjected to an alternating voltage V, is determined by

V = ZIV = ZI

beschrieben, wobei Z die Impedanz der Spule und I die Stärke des durch die Spule fließenden Stromes bedeuten. Wenn eine solche Spule in der Nähe eines elektrisch leitenden Materials angeordnet wird, induziert das durch den Spulenstrom erzeugte Magnetfeld im Inneren des Materials Wirbelströme; diese Wirbelströme haben ihrerseits ein Magnetfeld zur Folge, das dem in der Spule erzeugten Feld entgegengerichtet ist. Daraus resultiert eine Änderung der Impedanz der Spule.described, where Z is the impedance of the coil and I is the strength of the current flowing through the coil. If such a coil is placed in the vicinity of an electrically conductive material, it induces through the coil current generated magnetic field inside the material eddy currents; these eddy currents in turn have a Magnetic field result, which is opposite to the field generated in the coil. This results in a change in the Impedance of the coil.

Unter der Voraussetzung, daß eine Spule mit der Eigenimpedanz Z mit konstanter Stromstärke I gespeist wird, bilden die Variationen der Spannung V an den Klemmen der Spule ein Abbild der scheinbaren Variationen der Impedanz der Spule. Damit kann der Ort des Endpunktes eines die Impedanz der Spule entsprechenden Vektors in die komplexe Ebene eingezeichnet werdenj diese OrtskurveAssuming that a coil with the inherent impedance Z is fed with a constant current I, the variations in the voltage V at the terminals of the coil reflect the apparent variations in the Impedance of the coil. This allows the location of the end point of a vector corresponding to the impedance of the coil in the complex plane is drawn in this locus

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wird im folgenden Impedanz-Diagramm genannt.is called the impedance diagram in the following.

In Fig. 1 ist ein Impedanz-Diagramm einer Spule mit einem ohmschen Eigenwiderstand R und einer Eigeninduktivität L dargestellt, die mit einem konstanten sinusförmigen Wechselstrom der Frequenz co gespeist wird.1 shows an impedance diagram of a coil with an ohmic inherent resistance R and an inherent inductance L, which is fed with a constant sinusoidal alternating current of frequency co.

In einer komplexen Ebene, deren Abszisse der ohmschen Komponente R der Impedanz und deren Ordinate der induktiven Komponente wL der Impedanz entspricht, kann die komplexe Impedanz Z der Spule durch einen Vektor mit dem Modul / R + GO L und dem Argument I^ = arc tan ^r dargestellt werden. In dem Diagramm der Fig. 1 stellt der Vektor mit dem Modul Z und dem Argument- die Impedanz der Spule bei Abwesenheit aller zusätzlichen Einflüsse, insbesondere des Einflusses eines benachbarten zu untersuchenden Materials dar. Der Endpunkt des Vektors ist in dem Diagramm durch den Punkt Koo gekennzeichnet.In a complex plane, the abscissa of which corresponds to the ohmic component R of the impedance and the ordinate of which corresponds to the inductive component wL of the impedance, the complex impedance Z of the coil can be given by a vector with the module / R + GO L and the argument I ^ = arc tan ^ r are represented. In the diagram of FIG. 1, the vector with the module Z and the argument represents the impedance of the coil in the absence of all additional influences, in particular the influence of an adjacent material to be examined. The end point of the vector is in the diagram by the point Koo marked.

Bei einer Beeinflussung der Spule durch eine äußere Erscheinung, beispielsweise bei Annäherung an das zu untersuchende Material, wird ihre Impedanz geändert. Wenn man an die Spule ein Amplituden- und Phasenmeßgerät anschließt, das es erlaubt, ausgehend von dem an den Klemmen der Spule auftretenden Spannungssignal Vj3 die Amplitude a und die PhaseIf the coil is influenced by an external phenomenon, for example when it approaches the material to be examined, its impedance is changed. If an amplitude and phase measuring device is connected to the coil, it allows the amplitude a and the phase to be determined on the basis of the voltage signal Vj 3 appearing at the terminals of the coil

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des Signals zu bestimmen, wobei die Phase zweckmäßig bezüglich einer rein ohmschen Referenzphase definiert ist, kann man in eine Wertetabelle den Endpunkt des der Impedanz der Spule entsprechenden Vektors eintragen, wobei die Koordinaten eines jeden Ortspunktes M durch ein entsprechendes Wertepaar (a cos ψ', a sin y )„ gegeben ist.of the signal, the phase being expediently defined with respect to a purely ohmic reference phase, the end point of the vector corresponding to the impedance of the coil can be entered in a table of values, the coordinates of each location point M being represented by a corresponding value pair (a cos ψ ', a sin y) "is given.

Wenn die Spule an ein nichtmagnetisches leitendes Material angenähert wird, so beschreibt der Punkt M eine gewisse Kurve C, , die offensichtlich durch den Punkt K09, der der Eigenimpedanz der Spule entspricht, hindurchverläuft. Wird andererseits die Spule an ein magnetisches leitendes Material angenähert, so beschreibt der Punkt M eine bestimmte Kurve C-* die ebenfalls durch den Punkt K00 verläuft. Wenn der Zwischenraum zwischen der Spule und dem Material vergrößert wird, nähert sich der Punkt M dem Punkt K<xf auf einer der Kurven C, oder C2 an, je nachdem, ob das Material magnetisch ist oder nicht. Im Beispielsfalle wurde der Ort des Punktes M dargestellt, der einem Material entspricht, das von einem ersten nichtmagnetischen Zustand in einen zweiten magnetischen Zustand übergeht. Unter einem nichtmagnetischen Zustand versteht man im allgemeinen einen Zustand schwacher magnetischer Permeabilität des betrachteten Materials, beispielsweise den paramagnetischeiv oder diamagnetischen Zustand. Unter einem magnetischen Zustand versteht man einen Zustand mit großer magnetischer Permeabilität des betrachteten Materials,When the coil is approached to a non-magnetic conductive material, the point M describes a certain curve C i, which obviously runs through the point K 09 , which corresponds to the self-impedance of the coil. If, on the other hand, the coil is brought closer to a magnetically conductive material, the point M describes a certain curve C- * which also runs through the point K 00 . When the gap between the coil and the material is increased, the point M approaches the point K <xf on one of the curves C, or C 2 , depending on whether the material is magnetic or not. In the example case, the location of the point M was shown, which corresponds to a material that changes from a first non-magnetic state into a second magnetic state. A non-magnetic state is generally understood to mean a state of weak magnetic permeability of the material under consideration, for example the paramagnetic or diamagnetic state. A magnetic state is understood to mean a state with high magnetic permeability of the material under consideration,

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f - kt - Ii - 2431U40f - kt - Ii - 2431U40

beispielsweise den nichtgesättigten ferromagnetischen Zustand. Das in Fig." 1 dargestellte Impedanz-Diagramm bezieht sich auf einen Stahl, der unter der Einwirkung einer Temperaturerniedrigung von einem paramagnetischen in einen ferromagnetischen Zustand übergeht, wobei diese Änderung des magnetischen Verhaltens beispielsweise durch das Auftreten von Ferrit in der Kornstruktur des Stahls hervorgerufen wird. Unmittelbar vor diesem Übergang befindet sich der zu dem betreffenden Zwischenraum gehörende Impedanzpunkt an der Stelle M auf der Kurve C,. Nach dem Beginn des Übergangs wandert der Punkt M auf einer bestimmten Kurve C3 in Richtung zu dem Punkt Mf auf der Kurve C-, der zu dem in Betracht gezogenen Zwischenraum gehört, wobei der Zwischenraum im Verlauf der Kurve C3 als konstant angenommen ist. Im Falle einer Änderung des Zwischenraumes beschreibt der Punkt M ausgehend von dem Punkt M eine andere Kurve zu einem anderen Punkt auf der Kurve C2, der dem neuen Wert des Zwischenraums entspricht.for example the unsaturated ferromagnetic state. The impedance diagram shown in FIG. 1 relates to a steel that changes from a paramagnetic to a ferromagnetic state under the effect of a decrease in temperature, this change in magnetic behavior being caused, for example, by the appearance of ferrite in the grain structure of the steel . Immediately, the belonging to the respective intermediate space impedance point at the point M located in front of this transition on the curve C ,. After the start of the transition moves the point M on a given curve C 3 in the direction to the point M f on the curve C - belonging to the gap under consideration, the gap being assumed to be constant in the course of curve C 3. In the event of a change in the gap, point M describes another curve starting from point M to another point on the curve C 2 , which corresponds to the new value of the gap.

Die Verschiebungen des Punktes M auf einer der Kurven C,, C~ oder C. bedeuten eine Änderung des der Impedanz der Spule entsprechenden Signals hinsichtlich Phase und Amplitude. Die Art dieser Änderung ist in der Skizze der Fig. 2 veranschaulicht, in welcher das zu der Eigenimpedanz der Spule gehörende Signal V130 mit der Amplitude a und der Phase Ψ The displacements of the point M on one of the curves C 1, C 1 or C represent a change in the phase and amplitude of the signal corresponding to the impedance of the coil. The nature of this change is illustrated in the sketch in FIG. 2, in which the signal V 130 belonging to the self-impedance of the coil with the amplitude a and the phase Ψ

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und das gegenüber dem Signal Vj_ um Δ ψ phasenverschobene und um^4a in der Amplitude geänderte Signal Vfe dargestellt ist, welch letzteres Signal V, einem Punkt M auf der Kurvenfolge Cl, C2 und C3 entspricht. Es scheint zunächst« daß keine eindeutige Beziehung zwischen der Variation der Phase und der Amplitude des Signals einerseits und dem einen der betrachteten Parameter andererseits besteht? tatsächlich bilden die Variation des Luftspaltes und die eventuelle Änderung des magnetischen Verhaltens des Materials zwei Parameter, die gleichzeitig Phase und Amplitude des an den Klemmen der Spule auftretenden Signals modifizieren.and the signal V fe, which is phase-shifted by Δ ψ and changed in amplitude by ^ 4a, is shown, the latter signal V, corresponding to a point M on the curve sequence Cl, C2 and C3. At first it seems "that there is no clear relationship between the variation of the phase and the amplitude of the signal, on the one hand, and one of the parameters under consideration, on the other hand?" in fact, the variation in the air gap and the eventual change in the magnetic behavior of the material constitute two parameters which simultaneously modify the phase and amplitude of the signal appearing at the terminals of the coil.

Geht man von den obengenannten besonderen experimentellen Voraussetzungen aus, wird also eine Spule mit einer konstanten effektiven Stromstärke versorgt, so zeigt sich, daß die Kurven C, und C2 , die den Änderungen des Zwischenraums bei einem bestimmten magnetischen Zustand des Materials entsprechen, einen im wesentlichen geraden Verlauf aufweisen. Mit anderen Worten heißt das, daß die gemeinsame Entwicklung der Amplitude und der Phase des an den Klemmen der Spule abgegriffenen Signals unter den vorgenannten Bedingungen eine praktisch geradlinige Verschiebung des Endpunktes des die Impedanz der Spule darstellenden Vektors in der komplexen Ebene ergibt.Assuming the above-mentioned special experimental conditions, i.e. a coil is supplied with a constant effective current, it can be seen that the curves C 1 and C 2, which correspond to the changes in the gap for a certain magnetic state of the material, have an im have a substantially straight course. In other words, this means that the joint development of the amplitude and the phase of the signal tapped at the terminals of the coil under the aforementioned conditions results in a practically rectilinear shift of the end point of the vector representing the impedance of the coil in the complex plane.

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f - kt . - 13 -f - kt. - 13 -

Dieses experimentelle Ergebnis läßt sich theoretisch untermauern und gilt speziell für verhältnismäßig flache Spulen, wie sie üblicherweise für Wirbelstrom-Meßfühler verwendet werden, bei denen die Spulenachse im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des zu untersuchenden Erzeugnisses verläuft und die, wie in diesem Zusammenhang üblich, mit Frequenzen von einigen kHz bis zu einigen zehn kHz betrieben werden. Dieses Resultat wurde für zahlreiche Stähle, insbesondere solche, die einen ferromagnetischen Zustand aufweisen, experimentell bestätigt.This experimental result can be theoretically underpin and applies especially to relatively flat coils, as they are usually used for eddy current sensors can be used in which the coil axis is essentially perpendicular to the surface of the product to be examined and which, as is customary in this context, operated at frequencies of a few kHz up to a few tens of kHz will. This result has been observed for numerous steels, especially those that are ferromagnetic Condition, experimentally confirmed.

Ausgehend von dieser experimentellen Feststellung läßt sich nun ein Signal ableiten, das repräsentativ ist für eine Änderung des magnetischen Verhaltens eines Materials. . ■On the basis of this experimental finding, a signal can now be derived that is representative of a Change in the magnetic behavior of a material. . ■

Zu diesem Zweck wird eine Koordinatentransformation durchgeführt, in der Weise, daß der Ursprung der komplexen Ebene in den Punkt K00 verschoben wird, und daß anschließend die Phase eines Signals bestimmt wird, das in der neuen komplexen Ebene durch einen Vektor gebildet wird, dessen Ursprung der Punkt K00 und dessen Endpunkt der Punkt M des Impedanz-Diagramms für den zugehörigen Impedanzwert der Spule ist.For this purpose, a coordinate transformation is carried out in such a way that the origin of the complex plane is shifted to the point K 00 , and that the phase of a signal is then determined which is formed in the new complex plane by a vector whose origin the point K 00 and its end point is the point M of the impedance diagram for the associated impedance value of the coil.

In dem Diagramm der Fig. 3 wird der geometrische Ort der Punkte M durch die Kurven C1, C2 und C3 gebildet, die mitIn the diagram of FIG. 3, the geometric location of the points M is formed by the curves C 1 , C 2 and C 3 , which are marked with

409885/0907409885/0907

A 11 672A 11 672

18.6.1974June 18, 1974

f - kt - 14 -f - kt - 14 -

den Kurven in dem Diagramm der Fig. 2 übereinstimmen, und wobei die Kurven C1 und C2 Geraden sind, die sich im Punkt K«d entsprechend den obigen Ausführungen schneiden. Eine Achsentransformation entsprechend einem ersten vorgeschlagenen Verfahrensschritt verschiebt den Ursprung der komplexen Ebene in den Punkt K*©, wobei die neuen Achsen beispielsweise durch die - Achsen XY in Fig. 3 gebildet werden. Es ist festzustellen, daß der geometrische Ort des Punktes M im wesentlichen unabhängig von dem für die komplexe Ebene gewählten Achsensystem ist.coincide with the curves in the diagram of FIG. 2, and the curves C 1 and C 2 are straight lines which intersect at point K «d in accordance with the above explanations. An axis transformation in accordance with a first proposed method step shifts the origin of the complex plane to point K * ©, the new axes being formed, for example, by the - axes XY in FIG. 3. It should be noted that the geometric location of the point M is essentially independent of the axis system chosen for the complex plane.

Wenn der Punkt M auf einer der Geraden C1 oder C2 verschoben wird, d.h. im Falle einer Variation des Zwischenraumes für einen der magnetischen Zustände des Materials, so stellt die Phasenverschiebung des durch den Vektor K00 M in der Ebene XY repräsentierten Signals bezüglich irgendeinesIf the point M is shifted on one of the straight lines C 1 or C 2 , ie in the case of a variation of the gap for one of the magnetic states of the material, the phase shift of the signal represented by the vector K 00 M in the plane XY represents with respect to any one

Bezugsignals, beispielsweise der Phase eines Vektors in der X-Achse, einen praktisch konstanten Wert θ dar, und zwar entweder Θ,, wenn der Punkt M sich auf der Geraden C1 verschiebt und das Material nicht magnetisch ist,oder Θ2# wenn der Punkt M sich auf der Geraden C2 verschiebt und das Material magnetisch ist. Die Änderungen des Zwischenraums in dem einen oder-anderen Fall übertragen sich also ausschließlich in Änderungen des Moduls des Vektors K60M. Diese Änderungen entsprechen den ÄnderungenAm der AmplitudeReference signal, for example the phase of a vector in the X-axis, represents a practically constant value θ, namely either Θ ,, if the point M shifts on the straight line C 1 and the material is not magnetic, or Θ 2 # if the Point M moves on straight line C 2 and the material is magnetic. The changes in the space in one or the other case are therefore transferred exclusively to changes in the modulus of the vector K 60 M. These changes correspond to the changes Am in the amplitude

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A 11 672
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-is- 2A31040-is- 2A31040

des durch den genannten Vektor repräsentierten Signals, wie es in der Skizze der Fig. 4a veranschaulicht ist.of the signal represented by said vector, as illustrated in the sketch of FIG. 4a.

Im Falle einer Änderung der magnetischen Eigenschaft des Materials verschiebt sich der Punkt M entlang der Kurve C3 des impedanz-Diagrammes. Die Phasenverschiebung des durch den Vektor KcoM repräsentierten Signals bezüglich einer Referenzphase weist hier nun einen variablen Wert θ +Δ9 auf, wobei θ eine Konstante und Δθ eine Variable ist. Diese Änderung der Phasenverschiebung stellt daher eine eindeutige Information für eine Änderung der magnetischen Eigenschaften des Materials dar, unabhängig davon, wie auch "immer sich der Zwischenraum gleichzeitig ändert. Wohlverstanden kann dieses Ergebnis nicht erhalten werden, wenn die oben vorgeschriebenen experimentellen Bedingungen nicht eingehalten werden, d.h. einerseits, wenn nicht ein im wesentlichen konstanter Strom in der Spule aufrechterhalten wird und andererseits, wenn nicht im Falle, des Nichtvorhandenseins der äußeren Materialeinflüsse auf die Spule eine Abgleichung realisiert ist. Diese beiden Schritte sind unerläßlich und bilden das Wesen der Erfindung. In der Skizze der Fig. 4b ist die betreffende PhasenänderungΛ θ eingetragen; die Amplitudenänderungen des Signals haben In diesem Fall keine eindeutige Bedeutung.In the event of a change in the magnetic properties of the material, point M shifts along curve C 3 of the impedance diagram. The phase shift of the signal represented by the vector KcoM with respect to a reference phase now has a variable value θ + Δ9 , where θ is a constant and Δθ is a variable. This change in the phase shift therefore provides unambiguous information for a change in the magnetic properties of the material, regardless of how "ever the gap changes at the same time. It is understood that this result cannot be obtained if the experimental conditions prescribed above are not observed, that is, on the one hand, if an essentially constant current is not maintained in the coil and, on the other hand, if not in the event that the external material influences on the coil are not present, an adjustment is made. These two steps are indispensable and form the essence of the invention The relevant phase change Λ θ is plotted in the sketch of FIG. 4b; the amplitude changes of the signal have no clear meaning in this case.

Zur Durchführung der Achsentransformation, bei der der Ursprung der komplexen Ebene in den der EigenimpedanzTo carry out the axis transformation in which the origin of the complex plane is in that of the self-impedance

409885/0907 -ie-409885/0907 -ie-

der Spule entsprechenden Punkt K«»verschoben wird, wird das an den Klemmen der Spule bei Abwesenheit des aufgrund der Nähe des zu untersuchenden Materials gegebenen äußeren Einflusses auf die Spule abgegriffene Signal auf Null abgestimmt, wobei dieses Ergebnis durch Erzeugung eines hinsichtlich Phase und Amplitude mit dem an den Klemmen der Spule auftretenden Signal identischen Signals und durch Entgegenrichten dieser beiden Signale, daß sie sich gegenseitig aufheben, erhalten werden kann.point K «» corresponding to the coil is moved that at the terminals of the coil in the absence of the external given due to the proximity of the material to be examined Influence on the coil tapped signal tuned to zero, this result by generating a in terms of phase and amplitude with the signal appearing at the terminals of the coil and identical signal by opposing these two signals to cancel each other out.

Jede Änderung in der Impedanz der Spule ergibt ein nicht verschwindendes Signal, das in der komplexen XY"-Ebene durch einen Vektor KjoM repräsentiert wird. Eine eventuelle Änderung des magnetischen Verhaltens des untersuchten Materials kann durch einfache Bestimmung der Phase des durch den genannten Vektor repräsentierten Signals ermittelt werden. Da die Teile des Impedanz-Diagramms, die reinen Änderungen des Zwischenraums entsprechen, in gewissen Fällen keine exakte Geraden sein können, sind nur solche Phasenänderungen zu berücksichtigen, die oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts liegen.Any change in the impedance of the coil results in a non-zero signal that is in the complex XY "plane is represented by a vector KjoM. A possible Change in the magnetic behavior of the material under investigation can be achieved by simply determining the phase of the can be determined by the signal represented by said vector. As the parts of the impedance diagram that are pure Changes in the space correspond, in certain cases cannot be exact straight lines, are only such phase changes which are above a certain threshold value must be taken into account.

In Fig. 5 ist zum Zwecke der Veranschaulichung ein Blockschaltbild, einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt, dessen verschiedene Schritte oben entwickelt worden sind. Diese Vorrichtung enthält einenIn Fig. 5 is a block diagram for the purpose of illustration, an apparatus for carrying out the method is shown, the various steps of which are shown above have been developed. This device includes a

A09885/0907A09885 / 0907

Oszillator 1, dessen Ausgang mit einem ersten Zweig A und einem zweiten Zweig B verbunden ist, die ihrerseits jeweils mit einem Eingang eines Vergleichers verbunden sind, der im Falle des Ausführungsbeispiels durch einen Differenzverstärker 2 gebildet ist. Der erste Zweig A enthält einen Stromstärkeregler 3, der die mit ihrer einen Klemme mxt der Masse verbundene Spule 4 mit einem Wechselstrom von praktisch konstanter Stärke speist. Bei Verwendung eines Oszillators 1, der eine konstante sinusförmige Wechselspannung liefert, kann der Stromregler durch einen einfachen Spannungs-Stromwandler gebildet sein, beispielsweise einen Operationsverstärker, der an seinem Ausgang trotz eventueller Impedanzänderungen in dem nachgeschalteten Verbraucherkreis (Spule 4) einen praktisch konstanten Strom I = kV abgibt, wobei V die Oszillatorspannung bedeutet. Im zweiten Zweig B befindet sich eine Abgleichschaltung 5 zur Erzeugung eines hinsichtlich Phase und Amplitude regelbaren Spannungssignals. Diese Schaltung enthält einen Differenzierer 6, zwei Verstärker mit regelbarem Verstärkungsgrad 7a, 7b und einen Addierer 8. Der Ausgang des Oszillators 1 ist einerseits mit dem Eingang des Differenzierers 6 und andererseits mit dem Eingang des regelbaren Verstärkers 7a verbunden. Der . Ausgang des Differenzierers 6 ist über den Verstärker 7b mit einem ersten Eingang des Addierers 8 verbunden, während der Ausgang des Verstärkers 7b mit einem zweiten Eingang des Addierers 8 verbunden ist. Der Differenzierer 6 kannOscillator 1, the output of which is connected to a first branch A and a second branch B, each of which in turn are connected to an input of a comparator, which in the case of the exemplary embodiment by a differential amplifier 2 is formed. The first branch A contains a current regulator 3, which mxt with its one terminal the coil 4 connected to the ground is fed with an alternating current of practically constant strength. When using a Oscillator 1, which supplies a constant sinusoidal alternating voltage, can be controlled by a simple current regulator Voltage-current converter be formed, for example an operational amplifier, which at its output despite possible Changes in impedance in the downstream consumer circuit (coil 4) emits a practically constant current I = kV, where V is the oscillator voltage. In the second branch B there is a balancing circuit 5 for generating a voltage signal adjustable in terms of phase and amplitude. This circuit includes a differentiator 6, two amplifiers with adjustable gain 7a, 7b and an adder 8. The output of the oscillator 1 is on the one hand with the input of the differentiator 6 and on the other hand with connected to the input of the controllable amplifier 7a. Of the . The output of the differentiator 6 is via the amplifier 7b connected to a first input of the adder 8, while the output of the amplifier 7b to a second input of the adder 8 is connected. The differentiator 6 can

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409885/0907409885/0907

durch einen Operationsverstärker gebildet sein, der in der Weise geschaltet ist, daß das sinusförmige Oszillatorsignal um IT/2 phasenverschoben wird. Der Ausgang des Differenzverstärkers 2 ist mit einem ersten Eingang eines Phasendiskriminators 9 verbunden, dessen zweiter Eingang mit einem Punkt des Zweiges B verbunden ist, welcher Punkt im Falle des Ausführungsbeispiels zwischen dem Verstärker 7b und dem Addierer 8 liegt. An den Eingängen des Phasendiskriminators 9 befindet sich je eine Kippschaltung 10a und 10b,be formed by an operational amplifier which is connected in such a way that the sinusoidal oscillator signal phase shifted by IT / 2. The outcome of the Differential amplifier 2 is connected to a first input of a phase discriminator 9, the second input of which is connected to a point of the branch B, which point in the case of the embodiment is between the amplifier 7b and the adder 8. At the inputs of the phase discriminator 9 there is a flip-flop circuit 10a and 10b,

eines
deren Ausgänge mit den Eingängen UND-Gatters 11 verbunden sind, das seinerseits mit einem Tiefpaßfilter 12 verbunden ist. Der Ausgang des Phasendiskriminators 9 ist im Falle des Ausführungsbeispiels mit einem Schwellenwertschalter 13 verbunden, der ein Relais 14 ansteuert, dem unmittelbar eine Kontrollampe 15 nachgeschaltet ist. Ein weiteres Bandpaßfilter 16 befindet sich zwischen dem Differenzverstärker 2 und der Kippstufe 10a.
one
the outputs of which are connected to the inputs of the AND gate 11, which in turn is connected to a low-pass filter 12. In the case of the exemplary embodiment, the output of the phase discriminator 9 is connected to a threshold value switch 13 which controls a relay 14, which is immediately followed by a control lamp 15. Another band-pass filter 16 is located between the differential amplifier 2 and the flip-flop 10a.

In Fig. 6 ist eine Detailskizze eines Ausführungsbeispxels eines Meßfühlers 18 dargestellt, der eine Induktionsspule 4 umfaßt. Die Spule enthält eine flache Wicklung, deren Achse senkrecht zur Oberfläche des zu untersuchenden Erzeugnisses, beispielsweise eines vorbeilaufenden Bleches 22, verläuft. Die Spule ist auf einem hohlen Kunststoffkern 19 angeordnet, der seinerseits in einem von einer Schutzhülle 21 umgebenen dichten Graphitbehälter 20 angeordnet ist. Die Spule wird6 shows a detailed sketch of an exemplary embodiment of a measuring sensor 18 which has an induction coil 4 includes. The coil contains a flat winding, the axis of which is perpendicular to the surface of the product to be examined, for example a sheet 22 running past. The coil is arranged on a hollow plastic core 19, which in turn is arranged in a sealed graphite container 20 surrounded by a protective cover 21. The coil will

409885/0907 - 19 -409885/0907 - 19 -

mittels Wasser, das axial über den Kern zugeführt und über eine Leitung 23 aus dem Graphitbehälter abgeführt wird, auf konstanter Temperatur gehalten. Diese Vorkehrung vermeidet eine Aufheizung der Spule im Falle einer Untersuchung von Materialien mit relativ hoher und nicht konstanter Temperatur.by means of water that is fed axially over the core and over a line 23 is discharged from the graphite container, kept at a constant temperature. This precaution avoids a heating of the coil in the case of an investigation of materials with a relatively high and not constant Temperature.

In den verschiedenen Diagarmmen der Fig. 7 ist zur Veranschaulichung der Funktion der einzelnen Bauteile derIn the various slide arms of FIG. 7 is for illustration the function of the individual components of the

Signal-Vorrichtung gemäß Fig. 5 der verlauf an verschiedenen Punkten dieser Vorrichtung angegeben. Die verschiedenen Diagramme und die Signale in Fig. 7 sind mit den Bezugsbuchstaben a , b, ... 1, η bezeichnet, die den Bezeichnungen a, b, ... 1, η in Fig, 5 entsprechen. Weiter ist zu bemerken, daß die dargestellten Signale dem Verfahren entsprechen, das im Zusammenhang mit der Fig. ,3 beschrieben wurde. Das von dem Oszillator 1 erzeugte Signal (a) weist eine Sinus-Form auf und entspricht einer Spannung mit der Phasenverschiebung Null. Das Signal (b) am Ausgang des Differenzierers 6 ist eine gegenüber dem Signal (a) um Ύ/2 phasenverschobene Sinuskurve. Das Signal (c) am Ausgang des Verstärkers 7b stimmt bis auf die Amplitude mit dem Signal (b) und das Signal (d) am Ausgang des Verstärkers 7a stimmt bis auf die Amplitude mit dem Signal (a) überein. Die Signale (c) und (d) werden in dem Addierer 8 addiert und ergeben das Signal (e)Signal device according to FIG. 5, the course indicated at various points of this device. The various diagrams and the signals in FIG. 7 are designated with the reference letters a, b, ... 1, η, which correspond to the designations a, b, ... 1, η in FIG. It should also be noted that the signals shown correspond to the method that was described in connection with FIG. The signal (a) generated by the oscillator 1 has a sinusoidal shape and corresponds to a voltage with a phase shift of zero. The signal (b) at the output of the differentiator 6 is a sinusoidal curve which is phase-shifted by Ύ / 2 with respect to the signal (a). The signal (c) at the output of the amplifier 7b corresponds to the signal (b) except for the amplitude and the signal (d) at the output of the amplifier 7a corresponds to the signal (a) except for the amplitude. The signals (c) and (d) are added in the adder 8 and result in the signal (e)

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409885/0907409885/0907

Das Signal (d) kann als Vektor mit einstellbarem Modul dargestellt werden, der mit dem dem Signal (a) entsprechenden Vektor in Phase ist, während das Signal (c) durch einen Vektor ebenfalls mit einstellbarem Modul darstellbar ist, der gegenüber dem Signal (a) entsprechenden Vektor um Ir/2 phasenverschoben ist. Daraus ergibt sich,' daß die Summe dieser beiden Vektoren mit einstellbarem Modul ein dem Signal(e) entsprechender Vektor ist, dessen Phase und Modul nach Belieben von außen einstellbar sind. Insbesondere kann das Signal (e) hinsichtlich Phase und Amplitude mit dem Signal (f), das der Impedanz der Spule 4 entspricht, in Übereinstimmung gebracht werden. Entsprechend dem einen Verfahrensschritt kann daher das Signal (e) mit dem Signal (f), das der Eigenimpedanz der Spule, d.h. bei Abwesenheit eines äußeren Einflusses auf die Spule beispielsweise durch die induktive Kopplung mit dem zu untersuchenden Material, entspricht, in Übereinstimmung' gebracht werden. Wohlverstanden werden die kontrollierbaren Parameter, die die Impedanz der Spule verändern könnten, also insbesondere die Temperatur, konstant gehalten. Das Signal (f) entspricht in anderen Worten dem in Fig. 1 durch den Vektor 0K«o mit dem Modul Z und dem Argument ^o = arc tan wL /R repräsentierten Signal.The signal (d) can be represented as a vector with an adjustable module that is in phase with the vector corresponding to the signal (a), while the signal (c) can be represented by a vector also with an adjustable module that is in phase with the signal (a ) corresponding vector is phase-shifted by Ir / 2. It follows from this that the sum of these two vectors with an adjustable module is a vector corresponding to the signal (s), the phase and module of which can be adjusted externally at will. In particular, the phase and amplitude of the signal (e) can be brought into agreement with the signal (f), which corresponds to the impedance of the coil 4. According to one method step, the signal (e) can therefore be brought into agreement with the signal (f), which corresponds to the intrinsic impedance of the coil, ie in the absence of an external influence on the coil, for example due to the inductive coupling with the material to be examined will. It is understood that the controllable parameters that could change the impedance of the coil, in particular the temperature, are kept constant. In other words, the signal (f) corresponds to the signal represented in FIG. 1 by the vector OK «o with the module Z and the argument ^ o = arc tan wL / R.

Da der Differenzverstärker 2 einen positiven und einen negativen Eingang aufweist, werden die Signale (e) und (f) in dem Verstärker einander entgegengerichtet, so daß anSince the differential amplifier 2 has a positive and a Has negative input, the signals (e) and (f) are directed opposite to each other in the amplifier, so that on

409885/0907409885/0907

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dem Verstärkerausgang sich das Signal Null ergibt. Dadurch ist die Abgleichbedingung entsprechend einem weiteren Verfahrensschritt gemäß der Erfindung realisiert.the signal zero results at the amplifier output. Through this the adjustment condition is implemented according to a further method step according to the invention.

Die die Signale hinter dem Differenzverstärker 2 betreffenden Diagramme beziehen sich auf den Fall, daß der Zwischenraum und das magnetische Verhalten des Materials gleichzeitig oder getrennt verändert werden, nachdem vorher die Abgleichbedingung durch Variation der Verstärkungsgrade der Verstärker 7a und 7b in der vorbeschriebenen Weise eingestellt worden ist.The diagrams relating to the signals behind the differential amplifier 2 relate to the case that the Gap and the magnetic behavior of the material can be changed simultaneously or separately after beforehand the matching condition by varying the gain of the amplifiers 7a and 7b in the manner described above has been set.

Ist das zu untersuchende Erzeugnis vorhanden, so ergibt sich am Ausgang des Differenzverstärkers 2 ein Unsymmetriesignal, wobei das auf die Frequenz des Oszillators 1 abgestimmte Bandpaßfilter 16 die Harmonischen eliminiert, die durch den Differenzierer 6 und die Spule 4 erzeugt werden können. Dieses Uhsymmetriesignal wird durch das Signal (g) am Filterausgang gebildet und hat im wesentlichen den sinusförmigen Verlauf, für den das Filter selektiv ist. Aus dem folgenden wird ersichtlich, daß der Verlauf des Signals (g) nur eine geringe Bedeutung hat, sofern nur die Frequenz der Nulldurchgänge dieses Signals identisch ist mit der Frequenz der Nulldurchgänge des reinen Sinussignals, was sehr leicht dadurch erhalten werden kann, daß der Einfluß der Harmonischen durch ein ausreichend selektivesIf the product to be examined is present, an unbalance signal results at the output of the differential amplifier 2, the band-pass filter 16 tuned to the frequency of the oscillator 1 eliminating the harmonics, which can be generated by the differentiator 6 and the coil 4. This unbalanced signal is generated by the Signal (g) is formed at the filter output and has essentially the sinusoidal curve for which the filter is selective. From the following it will be seen that the course of the Signal (g) is of little importance if only the frequency of the zero crossings of this signal is identical with the frequency of the zero crossings of the pure sinusoidal signal, which can very easily be obtained by the Influence of the harmonics by a sufficiently selective

409385/0907409385/0907

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Filter genügend klein gehalten wird. Das Signal gehört zu einem Wert d, des Zwischenraums und einem Wert po der magnetischen Permeabilität des zu untersuchenden Materials, beispielsweise p. — 1, entsprechend einem paramagnetischen Zustand eines Stahls bei hoher Temperatur. Für einen gegenüber dem Wert d, verschiedenen Wert d_ des Zwischenraums und bei gleicher Permeabilität u erhält man ein Unsymmetriesignal (g) ,, mit derselben Phase wie das Signal (g)j·, / jedoch verschiedener Amplitude, was mit den obigen, in Zusammenhang mit der Erläuterung der Figuren 3 und 4 angestellten Betrachtungen übereinstimmt. Im Falle einer Modifikation des magnetischen Zustands des Materials wird das Unsymmetriesignal (g),, aufgrund der VariationFilter is kept small enough. The signal corresponds to a value d, the space and a value po is the magnetic permeability of the material to be examined, for example p. - 1, corresponding to one paramagnetic state of steel at high temperature. For a value d_ des that is different from the value d Between the space and the same permeability u one obtains an asymmetry signal (g) ,, with the same phase as that Signal (g) j ·, / but different amplitude, what with corresponds to the above observations made in connection with the explanation of FIGS. 3 and 4. In the event of a modification of the magnetic state of the material becomes the unbalance signal (g) ,, due to the variation

α, uα, u

der magnetischen .Permeabilität und einer eventuellen Variation des Zwischenraumes in der Amplitude geändert und erfährt auch eine Phasenänderung um den Betrag Δ θ gegenüber den Signalen g,. , die zu reinen Änderungen im Zwischenraum gehören. Im Falle des Ausführungsbeispieles ist die Änderung der magnetischen Permeabilität eine Folge einer Abkühlung des untersuchten Stahls auf eine Temperatur, bei der der Stahl durch das Auftreten ferromagnetischer Ferrite ferromagnetisch wird. Die entsprechende Änderung der Impedanz der Spule ist in dem Impedanzdiagramm der Fig. 3 durch eine Kurve, der Art des Kurventeiles C- veranschaulicht. Für die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu ziehenden Schlußfolgerungen bedürfen der Verlauf der Kurve C3, die Entwicklung der Phasenverschiebung 4θ und die Kennzeichnungthe magnetic .Permeability and a possible variation of the gap in amplitude changed and also experiences a phase change by the amount Δ θ compared to the signals g ,. that belong to pure changes in the space. In the case of the exemplary embodiment, the change in the magnetic permeability is a consequence of the steel being examined being cooled to a temperature at which the steel becomes ferromagnetic due to the occurrence of ferromagnetic ferrites. The corresponding change in the impedance of the coil is illustrated in the impedance diagram of FIG. 3 by a curve, the type of curve part C-. For the conclusions to be drawn within the scope of the present invention, the course of the curve C 3 , the development of the phase shift 4θ and the labeling are required

409885/0907409885/0907

der Lage des gemeinsamen Punkte Mf der Kurven C~ und C keiner näheren Nachforschungen, da das Vorhandensein einer Phasenverschiebung A θ und deren Auffindung hierfür allein ausreicht.the position of the common point M f of the curves C ~ and C no further investigation, since the existence of a phase shift A θ and its finding is sufficient for this alone.

Um die obenerwähnte Abgleichbedingung realisieren und damit die Verschiebung des Achsennullpunkts des Impedanz-Diagramms in den Punkt Koo bewirken zu können, befindet sich hinter dem Bandpaßfilter 16 ein Abgriff, an den ein an sich bekanntes Amplitudenmeßgerät angeschlossen werden kann.In order to realize the above-mentioned adjustment condition and thus the shift of the axis zero point of the impedance diagram to be able to effect the point Koo, is located behind the bandpass filter 16 is a tap to which a known amplitude measuring device can be connected can.

Eine Phasenverschiebung kann auf verschiedene Weise ermittelt werden. Im Falle des Ausführungsbeispieles wird das Signal (c) auf einen negativen Eingang der Kippstufe 10b gegeben« um das inverse Signal (c. ) zu bilden und die Kippstufe bei jeder positiven Halbperiode des auf diese Weise invertierten Signals auszulösen. Das durch die Kippstufe 10b erzeugte Signal ist das Signal (h). Das aus dem vor dem Differenzverstärker 2 befindlichen Stromzweig B stammende Signal (c) ist ein Signal konstanter Phase, und bildet somit ein Bezugsignal, so daß die Fronten des Rechteck-Signals (h) festliegen. Wohlverstanden könnte auch jedes andere Signal mit konstanter Phase als Bezugsignal verwendet werden. Das Signal (g) mit variabler PhaseA phase shift can be determined in various ways. In the case of the exemplary embodiment, the signal (c) given to a negative input of the flip-flop 10b «to form the inverse signal (c.) and the To trigger flip-flop at every positive half cycle of the signal inverted in this way. That through the tilting stage 10b generated signal is the signal (h). The current branch B located in front of the differential amplifier 2 originating signal (c) is a signal of constant phase, and thus forms a reference signal, so that the fronts of the Square wave signal (h) are fixed. Any other signal with constant phase could also be used as a reference signal be used. The signal (g) with variable phase

409885/0907409885/0907

A 11 672A 11 672

f - kt - 24 -f - kt - 24 -

wird auf einen positiven Eingang der Kippstufe 10a gegeben, so daß ein Signal (i) erzeugt wird, dessen Wert im Verlauf der Auslöseperioden dem Wert des Signals (h) entspricht. Das von dem Gatter 11 abgegebene Signal (j) ist ein Rechtecksignal, dessen Weite der Koinzidenz zwischen den Signalen (h) und (i) entspricht und daher direkt proportional zur Phasenverschiebung zwischen dem Bezugsignal (c) und dem Unsymmetriesignal (g) ist. Das Tiefpaßfilter wirkt als Integrierer, der ein Signal (k) abgibt, das proportional zur Fläche des Rechteckes (j) ist. Bei konstanter Niveauhöhe des Rechtecks ist die Fläche direkt proportional zu der Weite des Rechtecks und damit zu der Phasenverschiebung zwischen den Signalen (c) und (g). Das Signal (k) wird auf den Schwellenwertschalter 13 gegeben, wobei der Schwellenwert (1) durch Anlegen einer Spannung ν einstellbar ist, Wenn der Wert des Signals (k) den Schwellenwert (1) übersteigt, so wird durch die Schwellenwertschaltung ein Signal (n) erzeugt und auf das Relais gegeben, das hierdurch erregt wird und das Einschalten der Kontrollampe 15 bewirkt. Die durch das Signal (n) gebildete Ja-Nein-Information kann auch auf einen Rechner gegeben werden, wenn die beschriebene Kontrollvorrichtung Bestandteil einer automatisierten Prozeßsteuerung ist. Die Einstellbarkeit des Auslöseniveaus der Schwellenwertschaltung 13 ermöglicht es, Phasenverschiebungssignale mit kleiner Amplitude zu eliminieren, die aus einer gewissen Nicht-is applied to a positive input of the flip-flop 10a, so that a signal (i) is generated whose value corresponds to the value of signal (h) in the course of the triggering periods. The signal (j) output by gate 11 is a square wave whose width corresponds to the coincidence between signals (h) and (i) and is therefore directly proportional for the phase shift between the reference signal (c) and the unbalance signal (g). The low-pass filter acts as an integrator that emits a signal (k) that is proportional to the area of the rectangle (j). At constant The height of the level of the rectangle is the area directly proportional to the width of the rectangle and thus to the Phase shift between signals (c) and (g). The signal (k) is given to the threshold switch 13, where the threshold value (1) can be set by applying a voltage ν, if the value of the signal (k) exceeds the threshold value (1), the threshold value circuit a signal (s) generated and given to the relay, which is thereby excited and switching on the Control lamp 15 causes. The yes-no information formed by the signal (s) can also be sent to a computer be given if the control device described is part of an automated process control. the Adjustability of the trigger level of the threshold circuit 13 allows phase shift signals with smaller To eliminate amplitude resulting from a certain non-

409885/0907 -25-409885/0907 -25-

linearität der Kurven C, und C2 herrühren können, ------linearity of curves C, and C 2 , ------

Es versteht sich, daß das Äbgleichungssignal vor dem Differenzverstärker 2 auch in anderer Weise, wie hier beschrieben, erzeugt werden kann. So kann anstelle der Schaltung 5 in den Stromzweig B eine mit der Spule 4 identische Spule angeordnet werden. Diese Lösung ist zwar, was die Schaltung anbetrifft, einfacher. Dennoch ist ihre Verwirklichung schwierig, da es praktisch unmöglich ist, "zwei Spulen desselben ohmschen Widerstandes und derselben Induktivität zu erhalten, was die Einstellung der Ab-gleichbedingung am Ausgang des Differenzverstärkers 2 sehr schwierig macht und dadurch die Selektivität der Vorrichtung erheblich reduziert.It goes without saying that the adjustment signal before the differential amplifier 2 can also be used in a different manner, as here described, can be generated. Thus, instead of the circuit 5 in the current branch B, one with the coil 4 identical coil can be arranged. This solution is, as far as the circuit is concerned, simpler. Still hers is Realization difficult because it is practically impossible to have "two coils of the same ohmic resistance and the same To get inductance, what the setting of the equalization condition at the output of the differential amplifier 2 very much makes difficult and thereby significantly reduces the selectivity of the device.

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Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung findet insbesondere ihre Anwendung bei der Ermittlung einer Änderung des magnetischen Verhaltens in Stählen, die von einem paramagnetischen in einen ferromagnetischen Zustand übergehen können, beispielsweise im Verlauf einer thermomechanischen oder thermischen Behandlung. Bei Gebrauchsstählen und einer großen Anzahl legierter Stähle der obengenannten Art tritt beim Abkühlen unter den Curie-Punkt Ferrit auf. Dieses Ferrit ist augenblicklich ferromagnetisch. Daraus folgt, daß das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung es ermöglichen, den Beginn des kristallinenThe method and the device according to the invention finds its application in particular in the investigation a change in the magnetic behavior in steels from a paramagnetic to a ferromagnetic state can pass, for example in the course of a thermomechanical or thermal treatment. In utility steels and a large number of alloy steels of the above Art occurs on cooling below the Curie point ferrite. This ferrite is instantaneously ferromagnetic. It follows that the method and the device according to the invention make it possible to start the crystalline

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Überganges von y-Eisen auf <A.-Eisen zu beobachten, wobei diese Information von großem Interesse insbesondere bei der kontinuierlichen thermomechanischen oder thermischen Behandlung von Eisen ist. In gewissen Fällen, beispielsweise bei extra-weichen Stählen, bildet sich Ferrit bereits oberhalb des Curie-Punkts. Dieser Ferrit ist jedoch bei diesen Temperaturen noch nicht ferromagnetisch. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt in diesem Fall die Bestimmung der Curie-Temperatur des Stahls, die der Temperatur entspricht, bei der der Ferrotnagnetismus des Ferrits einsetzt. Auch diese Information kann bei der thermischen oder thermomechanischen Behandlung von Bedeutung sein. Der Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, daß der Einfluß einer Änderung der Entfernung zwischen der Spule und dem zu untersuchenden Erzeugnis unterdrückt wird, welche Änderungen ein Störsignal ergeben, das es bisherThe transition from y-iron to <A.-iron can be observed, whereby this information of great interest especially in the case of continuous thermomechanical or thermal Treatment of iron is. In certain cases, for example with extra-soft steels, ferrite is formed already above the Curie point. However, this ferrite is not yet ferromagnetic at these temperatures. The inventive method allows in this case Determination of the Curie temperature of the steel, which corresponds to the temperature at which the ferrotnagnetism of the Ferrite uses. This information can also be of importance in the thermal or thermomechanical treatment be. The main advantage of the invention is that the influence of changing the distance between the Coil and the product to be examined is suppressed, which changes result in an interfering signal that it was previously

unmöglich machte, Änderungen des magnetischen Verhaltens in einem vorbeibewegten Erzeugnis selektiv zu beobachten.made it impossible to selectively observe changes in magnetic behavior in a passing product.

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Claims (8)

PatentansprücheClaims ( l.yVerfahren zur Ermittlung des Überganges eines elektrisch1 leitenden Materials von einem ersten nichtmagnetischen Zustand in einen zweiten magnetischen Zustand, wobei in dem Material mittels einer Spule "Wirbelströme erzeugt und die Änderungen der Impedanz der Spule ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, (l.y method for determining the transition of an electrically 1 conductive material from a first non-magnetic state to a second magnetic state, wherein eddy currents are generated in the material by means of a coil and the changes in the impedance of the coil are determined, characterized in that, - daß die Spule mit einem Wechselstrom mit im wesentlichen konstanter effektiver Stromstärke gespeist wird,- That the coil is fed with an alternating current with an essentially constant effective current strength, - daß dem an den Klemmen der Spule bei Abwesenheit des- That the at the terminals of the coil in the absence of the zu Üntersüeh~enden Materials' auftretenden Spannungssignal (f) ein bezüglich Amplitude und Phase entsprechendes Spannungssignal (e) zur Abgleichung entgegengerichtet wird,voltage signal occurring to overshoot material (f) a voltage signal (e) corresponding with respect to amplitude and phase is directed in the opposite direction for the purpose of adjustment will, - daß das aus der Änderung der Impedanz der Spule bei Anwesenheit des Materials .resultierende Unsymmetriesignal (g) ermittelt wird,- That the asymmetry signal resulting from the change in the impedance of the coil in the presence of the material (g) is determined, - und daß ein der Phasenverschiebung (AQ) des Unsymmetriesignals (g) gegenüber einem Bezugssignal (c) entsprechendes", der" !Erkennung des Zustandsüberganges dienendes Signal (n) erzeugt wird.and that a signal (n) which corresponds to the phase shift (AQ) of the asymmetry signal (g) with respect to a reference signal (c) and serves to detect the state transition is generated. - 28 -- 28 - 409885/0907409885/0907 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das elektrisch leitende Material ein Metall ist, das in Abhängigkeit von der Temperatur von einem ersten paramagnetischen Kristallzustand in einen zweiten ferromagnetischen Kristallzustand oder umgekehrt übergeht.2. The method according to claim 1, characterized that the electrically conductive material is a metal that depends on the Temperature from a first paramagnetic crystal state to a second ferromagnetic crystal state or vice versa. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Kristallzustand und der zweite Kristallzustand gleichartig sind, so daß das Signal bei einer Temperatur des Materials ausgelöst wird, die dem Curie-Punkt des Materials entspricht.3. The method according to claim 2, characterized in that the first crystal state and the second crystal state are similar, so that the signal at a temperature of the Material is triggered which corresponds to the Curie point of the material. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der erste und der zweite4. The method according to claim 2, characterized in that the first and the second K-r-iet-ailzustand unterschiedlich sind, so daß das ausgelöste Signal den kristallinen Übergang von dem einen kristallinen Zustand in den anderen kristallinen Zustand anzeigt. .,._,..K-r-iet-ailstatus are different, so that the triggered Signal the crystalline transition from one crystalline state to the other crystalline state indicates. ., ._, .. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem5. Device for performing the method according to a >- " der* Ansprüche 1— 4, ge k e η η ζ e . i ,c h η _e t w., _ „,...,. durch einen zwischen einem Wechselspannungsgenerator> - " of * Claims 1 - 4, ge ke η η ζ e. i, ch η _e t w ., _ ", ...,. by an alternating voltage generator - 29 409885/0907 - 29 409885/0907 (Oszillator 1) und der Induktionsspule (4) angeordneten Stromstärkeregeier (3) zur Speisung der Spule mit einer im wesentlichen konstanten effektiven Stromstärke, so daß die Spannungsänderungen an den Klemmen der Spule ein Abbild der Impedanzänderungen in der Spule sind, eine Abgleichschaltung (5) mit auf die Amplitude und die Phase der Generatorspannung einwirkenden Regelorganen (Verstärker 7a, 7b) zur Erzeugung eines zu dem an den Klemmen der Spule auftretenden Spannungssignal entsprechenden Signal, einen Vergleicher (2), dessen Eingänge mit dem Spulensignal (f) einerseits und dem Signal (e) der Abgleichschaltung (5) andererseits beaufschlagt sind, und einem Phaseridiskriminator (9) zur Erzeugung eines der Phasenverschiebung des Ausgangssignals (g) des Vergleichers gegenüber einer Bezugsphase (c) entsprechenden Signal^ (h).(Oscillator 1) and the induction coil (4) arranged amperage controller (3) for feeding the coil with a substantially constant effective current, so that the voltage changes at the terminals of the coil are an image of the impedance changes in the coil, a matching circuit (5) with on the amplitude and the phase of the generator voltage acting regulating organs (amplifier 7a, 7b) for generating one to the at the Terminals of the coil occurring voltage signal corresponding signal, a comparator (2), whose Inputs with the coil signal (f) on the one hand and the signal (e) of the balancing circuit (5) on the other hand applied and a phaseri discriminator (9) for generating one of the phase shifts of the output signal (g) of the comparator with respect to a reference phase (c) corresponding signal ^ (h). 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet d u rc h eine mit der Diskriminatorschaltung (9) verbundene Schwellenwertschaltung (13), die ein Signal (n) abgibt, wenn das Phasenverschiebungssignal (k) einen bestimmten Schwellenwert (1) erreicht.6. Apparatus according to claim 5, characterized d u rc h one connected to the discriminator circuit (9) Threshold circuit (13) which outputs a signal (n) when the phase shift signal (k) is a certain threshold value (1) is reached. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler (3) als mit einer konstanten Spannung gespeister Spannungs-Strora-Wandler ausgebildet ist.7. Apparatus according to claim 5, characterized in that that the current regulator (3) as a voltage-Strora converter fed with a constant voltage is trained. — 30 — 409885/0907 - 30 - 409885/0907 8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e . kennzeichnet, daß die Abgleichschaltung (5) folgende Bestandteile umfaßt:8. Apparatus according to claim 5, characterized g e. indicates that the balancing circuit (5) comprises the following components: - eine Schaltung (6) zur Verschiebung des vom Generator (Oszillator 1) kommenden Signals (a) um 90°,- a circuit (6) for shifting the signal (a) coming from the generator (oscillator 1) by 90 °, - einen ersten auf das vom Generator kommende Signal (a) einwirkenden Amplitudenregler (7a), - A first amplitude regulator (7a) acting on the signal (a) coming from the generator, - einen zweiten auf das von der Phasenschieberschaltung (6) kommende Signal (b) einwirkenden Amplitudenregler- a second to that of the phase shifter circuit (6) incoming signal (b) acting amplitude regulator ' (7b) und'(7b) and - einen Addierer, dessen Eingänge mit den AusgangsSignalen (c) d) der Amplitudenregler beaufschlagt sind und dessen Ausgang mit dem einen Eingang des Vergleichers (2) verbunden ist.- An adder, the inputs of which are supplied with the output signals (c) d) of the amplitude regulator and the output of which is connected to one input of the comparator (2). 409885/0907409885/0907
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