DE2500406A1 - Verfahren und vorrichtung zum anzeigen und messen von rissen und sonstigen fehlern in einem metallstab - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum anzeigen und messen von rissen und sonstigen fehlern in einem metallstabInfo
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Description
KENKECOTT COPPER CORPORATION,
161 East 42nd Street,
New York, N.Y. /V.St.A.
161 East 42nd Street,
New York, N.Y. /V.St.A.
Verfahren und Vorrichtung zum Anzeigen und Messen von
Rissen und sonstigen Fehlern in einem Metallstab
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Anzeigen von Rissen oder sonstigen Fehlern in einem sich bewegenden Metallstab und bezieht sich insbesondere
auf eine Vorrichtung zum Messen von Fehlern durch Anzeigen von Änderungen im Wirbelstrom, der in dem sich
Metallstab beim~Hin4^i"chsehen durch ein festgelegtes .Magnetfeldgefälle
induziert wire
Herstellun
Auf dem allgemeinen Gebiet der zerstörungsfreien Material-'
ist insbesondej?e_^ür_-kontinuierliche
verfahren eih^Verf^^^Q^ zum Anzeigen von UnregelT
keiten in Abmessung oder^u^^^^Sg^^^f^wegten Metallstäben
bekannt, das darin bestlf-fb^ den in dem Stab
durch Anwendung eines äusseren Hoc^fr^uenz-Wechselmagnet- ~
feldes induzierten Wirbelstrom zvx messen. Hierbeä^wifä^"--^
der Wirbelstrom gewöhnlich durc1 A ein SpulenpaanTgemessen,
das den Stab konzentrisch umgj btm Venn sich άβΓ Wirbelstrom
von einer Stelle des Stabes - zur Ochsten Stelle infolge
einer Änderung der physika] ischen Eigenschaften oder einer
.sonstigen Ungleichmässigk' A±t ändert, s0 zeigen die
»MSPECTED
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nahmespulen diese Änderung an und geben ein entsprechendes Signal.
Ein Gerät zum Anzeigen von Rissen in dieser Weise ist z. B. in der US-PS 5 617 874 beschrieben.
Bei Vorrichtungen dieser Art müssen bei grosser Bewegungsgeschwindigkeit
des Stabes oder der Stange zunehmend höhere Frequenzen des Magnetfeldes angewendet werden, um dem Feld
eine solch grosse Zahl von Frequenzen zu vermitteln, dass auch Fehler geringer Länge festgestellt werden können. Die Notwendigkeit
einer hohen Frequenz zum Feststellen von Fehlern ist jedoch mit unerwünschten Beschränkungen verbunden, die auf den
Skineffekt bei Material hoher Leitfähigkeit und Permeabilität zurückzuführen sind. Bei relativ hohen Frequenzen wird die
Hauttiefe, die durch das äusaere Magnetfeld durchdrungen werden
kann, zunehmend geringer, so dass es schwierig, wenn nicht gar unmöglich wird, in dieser Weise Fehler in einem Metallstab, die
in grösserer Tiefe unter der Oberfläche vorhanden sind, anzuzeigen.
Der Erfind;ung_liegt die Aufgabe zugrunde, die Tiefenbegrenzung
von Wechs el strom-Wirbelstrom-Anwendungen bei Materialien höhe-
Leitfähigteeit und Permeabilität^ insbesondere bei grosser
Bewegungsgeschwindigkeit des Materiales, zu beseitigen. Die Erfindung ist jedoch nidat auf mit grosser Geschwindigkeit bejwegt^I^teri^-BBB^rSnI^niA<iJtaim.^aui^
zlusl-Feststellen von FehiesPiferwendet-werden, wenn zwischen dem Werkstück und der
Vorrichtung überhaupt eine Relativbewegung besteht*—- ~ -_-■——-
Die TiÖsung der Aufgabe bje^tehif~gemäss den Erfindung darin, dass
der Metall stab"durch, ein Magnetfeldgefälle hindurchbewegt wird,
das zeitlich konstant bleibt^-und dass Wirbelstromanderungen
in dem Metall&tab^ die' durch Unregelmässigkeiten der Abmessung
oder der- Eigenschaften des Stabmateriales hervorgerufen werden,
angezeigt werden. Durch axiales Hindurchbewegen eines Metallstabes
durch ein Magnetfeld, das in der Bewegungsrichtung des Stabes ein Gefälle aufweist, wird ein Inderungszeitmass des
Magnetflusses durch einen Stabquerschnitt erzeugt, das propor-
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ORlGKW^L. ,USPECTED
ORlGKW^L. ,USPECTED
tional ist zu dem Produkt aus dem konstanten Feldgefälle, der ebenfalls konstanten Bewegungsgeschwindigkeit des Stabes und
der Querschnittsfläche desselben.
Da das äussere Feld sich nur in einer Richtung ändert, ist die in dem Stab erzeugte elektromotorische Kraft in nur einer
Richtung wirksam. Infolgedessen erzeugt ein Fehler in oder an dem Metallstab, der entweder die Querschnittsfläche desselben
verringert oder den spezifischen Widerstand des den Stab bildenden Metalles ändert, eine Änderung des in der Querschnitt
sf lache umlaufenden Wirbelstromes. Bei einer Ausführungsform
der Erfindung sind an einer Stelle der in dem Feld verlaufenden Achse zwei Aufnahmespulen in entgegengesetzter Richtung
konzentrisch um den Metallstab herumgewickelt und in Reihe geschaltet. Hierbei werden elektrische Störungen von äusseren
Quellen durch die entgegengesetzt gewickelten Spulen aufgehoeben, jedoch gehen mit Fehlern des Metallstabes verbundene
Signale durch die beiden Spulen aufeinanderfolgend hindurch
und werden daher nicht aufgehoben. Das erforderliche Magnetfeldgefälle kann entweder durch einen entspr^chend^g&stalteten
Dauermagnet„oder durch einen Elektromagnet-erzeugt werden. Bei
einer BewegungsgescEwindigkeit des Metallstabes ^θεν43-^Β«___^^.
1100 ι je Minute kann das Magnetfeldgefalle so gewählt werden,
dass Unregelmässigkeiten im gesamten Querschnitt eines 0,7 cm
Stabes festges1?e±±t~ntf^r^ä^ar4£änn^5n-*ir^
dab~ei- in üblicher Weise ausgebildet= und
einem MJferBnrtialverstärker verbunden sein, dessen Leistung
einem RegistriergerätöEes^einem Oszilloskop z"ugef^hrt wird.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung'"an Hand
der Zeichnung beschrieben. In d±e&ar. zeigen:-.
Fig. 1 eine der Erfindung entsprechende Einrichtung zBmAnzeigen
von Fehlern in schaubildlicher Ansicht, teirwei.se in Schnittdarstellung,
Fig.1a eine graphische Darstellung des Magnetfeldes entlang
der Achse der Einrichtung nach Fig. 1,
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!ig. 2 das Übersiclrtsschema einer Schaltung für die Einrichtung,
Pig. J eine andere Ausführungsform eines Dauermagneten für die
Einrichtung in schaubildlicher Ansicht,
Pig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4a-4a der Pig. 3i und
Pig. 5 das Schaubild einer Oszilloskop-Spur vom Ausgangsende
der Schaltung nach Pig. 2.
Gemäss Pig. 1 wird ein Metallstab 14 mittels eines Antriebs- ι
rollenpaares 14 durch ein Führungsrohr 12 der Anzeigeeinrichtung 10 hindurc hbewegt, Das Führungsrohr 12 besteht aus '
Phenolmaterial oder aus einem Nichteisenmetall und hat bei der dargestellten Ausführungsform einen Aussendurchmesser von
1,9 cm und einen Innendurchmesser von 1,75 cm. Es ist durch den Mittelpunkt eines zylindrischen, axial magnetisieren
Dauermagnetes 16 hindurchgeführt, der z. B. eine Länge von 7,6 cm und einen Aussendurchmesser von 7>6 cm hat. In Berührung
mit dem Dauermagnet 16 ist ein das Führungsrohr 12 ' ebenfalls konzentrisch umgebender, innen konischer Zylinder 17 aus
ferromagnetischem Material, z. B. Stahl, angeordnet, dessen Aussendurchmesser ebenfalls 7>6 cm beträgt und der 10,8 cm lang
ist. Um das Führungsrohr 12 herum sind an einer etwa 5 cm von dem freien Ende des Zylinders 17 gelegenen Stelle zwei Aufnahme-j
bzw. Anzeigespulen 19 in Gegenschaltung angeordnet, so dass ein sich in einer gegebenen Richtung änderndes Magnetfeld entgegengesetzt
gerichtete Ströme in den beiden Aufnahmespulen
erzeugt» Zur Weiterleitung von Signalen von den beiden Spulen 19 sind zwei Leitungen 20 angeordnet, die zu einem Verstärker
21 führen.
Fig. 1a zeigt die Feldstärke entlang der Achse des inneren
Zylinders 17· Wie ersichtlich, ist das axiale Feldgefälle linear
und wird vom offenen Ende des Zylinders nach dessen engem Ende hin grosser. Ein geeigneter Wert für das Feldgefälle ist 2000
Gauß je Zentimeter. Die genaue Anordnungsstelle der Aufnahmespulen
19 ist nicht kritisch, jedoch sollte sie weit genug vom Ende des sich verjüngenden Abschnittes des Magnetfeldes
weg sein. Wenn die Aufnahme spul en in einem linearen Feldgefälle
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angeordnet werden, so hat eine Schwingung oder ein Stcss, der die Aufnahmespulen längs bewegt, keine Änderung des erzeugten
Signales zur Folge. Es ist erwünscht, wenn an jeder Stelle entlang der Achse das IPeId im wesentlichen gleichmässig auf
der Innenseite eines die Achse konzentrisch umgebenden Kreisringes ist und einen genügend grossen Radius hat, um das
Führungsrohr 12 zu umschliessen.
Der zu prüfende Stab 14- wird durch das Führungsrohr 12 mit
einer Geschwindigkeit von z. B. 1100 m/Minute hindurchbewegt. Dabei werden Fehlersignale auf Grund der nachstehenden physikalischen
Grundsätze erzeugt.
Nach dem Gesetz von Maxwell ist
χ ε = - τ %
Hierbei ist c gleich der Lichtgeschwindigkeit. In Integralform geschrieben ergibt Gleichung (1)
= elektromotorische Kraft = ό E . 3^= - i -Ar J B .d S, (2)
Diese Gleichung besagt, dass die elektromotorische Kraft um jede Schleife herum im .Raum T^ gleich dem negativen Zeitmass
der Änderung des gesamten Magnetflusses ist, der den von der
Schleife begrenzten Bereich durchdringt. Die elektromotorische Kraft, die an der Oberfläche eines durch ein axiale^ Magnetfeldgefälle
hindurchgehenden Stabes er-zeugt wird, kann durch Vereinfajbmg der Gleichungen wie folgt berechnet werden:
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-τ—— das axiale Magnetfeldgefälle ist, wenn vorausgesetzt
wird, dass das Gefälle über den Stabquerschnitt konstant
ist,
-Tr· die axiale Geschwindigkeit des Metallstabes, und
Ar,. , die Querschnittsfläche des Metallstabes ist.
Die Wirkung der gemäss Gleichung (3) erzeugten elektromotorischen
Kraft besteht darin, in Umfangsrichtung um den Stab
herum strömende Wirbelströme hervorzurufen. Die in verschiedenen Tiefen in dem Stab erzeugte elektromotorische Kraft ist
dabei proportional zu der Querschnittsfläche, die dem Radius von der Stabmitte zu der jeweiligen Tiefe entspricht.
Wenn das PeId ein lineares Gefälle hat und die Bewegungsgeschwindigkeit
des Stabes festgelegt ist, so ist die elektromotorische Kraft für einen gegebenen Querschnitt gleich, unabhängig
davon, wo in dem linearen Teil des Feldes der Querschnitt liegt. Die konstante elektromotorische Kraft induziert
einen Wirbelstrom-Dauerzustand, wobei der Wirbelstrom in dem gegebenen Querschnitt immer in derselben Richtung fliesst,
weil sich das äussere Feld immer in derselben Richtung ändert, wie der Stab 14 entlang der Zylinderachse vorwärtsbewegt wird.
Der umlaufende Wirbelstrom erzeugt in dem gegebenen Querschnittsbereich
ein lokales Magnetfeld in einer ähnlichen Weise wie ein Solenoid. Gemäss dem Gesetz von Lenz arbeitet
das mit den lokalen Wirbelströmen verbundene axiale Feld in einer Richtung, die der Änderung in dem äusseren angelegten
Magnetfeld, durch das der Stab hindurchgeht, entgegengesetzt ist und diese teilweise aufhebt.
Die Anzeige von Fehlern in dem Stab erfolgt durch die Spulen 19, durch die der Stab hindurchgeht. Diese Spulen erfahren
einen Magnetfluss aus zwei Quellen, nämlich dem magnetisierten,
sich innen verjüngenden Zylinder 17 und. dem sich bewegenden
Stab 14. Das von dem Zylinder 17 erzeugte Feld ist an
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jeder Stelle entlang der Achse konstant. Die Spulen 19 werden
daher einem konstanten Fluss aus der ersten Quelle ausgesetzt. Wenn der hindurchgehende Stab 14 fehler- oder rissefrei ist,
so hat jeder Querschnitt identische Grosse und identischen spezifischen Widerstand. Es ist aber nicht nur die von einem
gegebenen Querschnitt aufgenommene elektromotorische Kraft auf dem linearen Teil des äusseren Feldes die gleiche, sondern es
erhält auch jeder gleichgrosse Querschnitt dieselbe elektromotorische Kraft. Infolgedessen zirkuliert in den das gleiche
Magnetfeldgefälle aufweisenden Bereichen jedes Querschnittes derselbe Dauerzustands-Wirbelstrom. Die Spulen 19 nehmen auch
dieses zweite Magnetfeld auf, das nach dem Gesetz von Lenz dem äusseren Feld entgegengerichtet ist und dessen Grosse so
lange konstant ist, als der Stab fehlerfrei ist. Das aus den beiden Quellen resultierende Feld ist ebenfalls konstant, und
ohne Änderung im Magnet- bzw. Kraftfluss wird keine elektromotorische
Kraft in den Aufnahmespulen 19 induziert. Wenn
jedoch in dem Metallstab 14 ein Riss oder sonstiger Fehler
vorhanden ist, so wird hierdurch das durch die Wirbelströme erzeugte Feld geändert.
Wenn der Fehler in einer Bemessungsabweichung besteht, so kann er die Querschnittsfläche des Stabes verkleinern oder
vergrössern. Da die elektromotorische Kraft entsprechend Gleichung (5) sich mit der Querschnittsfläche ändert, ist
die elektromotorische Kraft in dem fehlerhaften Querschnitt von derjenigen in einem fehlerfreien Querschnitt verschieden.
Wenn die Querschnittsfläche z. B. kleiner ist, so verringert die kleiner gewordene elektromotorische Kraft den in dem
fehlerhaften Querschnitt zirkulierenden Wirbelstrom, so dass das durch diesen induzierte Magnetfeld entsprechend abfällt.
Die Aufnahmespulen geben keine Anzeige, wenn der normale
Querschnitt durch sie hindurchgeht, da das durch Wirbelströme erzeugte Feld bei normalem Querschnitt dasselbe ist,
wie das durch Wirbelströme in den anderen identischen, fehlerfreien Querschnitten, die durch die Spulen hindurchgehen.
Wenn jedoch ein fehlerhafter Querschnitt durch die Spulen
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hindurchgeht, so ändert sich der gesamte Magnetfluss durch
die Spulen infolge des durch die Wirbelströme erzeugten reduzierten Feldes, und es wird in den Spulen eine elektromotorische
Kraft erzeugt. Wenn der Fehler ein solcher ist, dass er den spezifischen Widerstand in einem Querschnitt des Stabes
14 ändert, so wird die Querschnittsfläche und die elektromotorische Kraft nicht geändert, «jedoch ändert sich die Grosse
des Wirbelstromes mit der Änderung des spezifischen Widerstandes. Z. B. kann eine Überlappung oder eine Naht den spezifischen
Widerstand erhöhen und den gesamten, in dem Querschnitt zirkulierenden Wirbelstrom verringern. Das induzierte Feld
ändert sich entsprechend dieser Verringerung, und die Spulen 19 zeigen dies an.
Zum Erzeugen und Weiterleiten eines Signales von den Aufnahmespulen
dient die in Fig. 2 gezeigte Schaltung. Die Aufnahmespulen 19 sind hierbei mit den Eingangsklemmen eines Differentialverstärkers
21 üblicher Art verbunden, der einen Spannungsgewinn von 50 bis 73 dB erbringt und ein von dem Unterschied
zwischen an seinen Eingangsklemmen auftretenden Signalen abhängiges Ausgangssignal gibt. Dieses wird einer Entfaltungs-"Worrichtung
22 zugeführt, die aus einem üblichen Oszilloskop oder ein em.Bandschreiber bestehen kann. Zugleich wird das
Ausgangssignal einem Digitalzähler 23 zugeführt, der eine Schaltung zur Bestimmung einer Schwelle und einen Stromkreis
zum Zählen von über diese Schwelle hinausgehenden Impulsen aufweist. Die Leistung dieses Zählers 23 wird von einer Datenspeichervorrichtung
24 aufgenommen, die beliebiger Art sein kann und z. B. durch einen Digitalcomputer gebildet ist.
Die Form des an der Ausgangsklemme des Verstärkers 21 erscheinenden
Signales ist in Fig. 5 gezeigt, in der der mittlere Impuls den durch die Ungleichmässigkeit des in den Spulen
19 induzierten Stromes als Ergebnis eines Fehlers in der Oberfläche eines durch ein Magnetfeldgefälle hindurchgehenden Metallstabes
darstellt, wie er in Verbindung mit der Einrichtung nach Fig. 1 gezeigt ist.Die Impulse an jedem Ende der Spur
sind Impulse, die beim Durchgang des vorderen Endes und des
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hinteren Endes des Stabes erzeugt werden.
Fig. 4 zeigt einen etwa zylindrischen Magnet 30, bei dem die
Aufnahmespulen 19 in der Mittelöffnung nahe an dem einen Ende
angeordnet sind. Der Magnet hat dabei vorzugsweise eine Länge von 17»5 cm und einen Aussendurchmesser von 3,8 cm. Wie aus
den schematisch angedeuteten Kraftlinien ersichtlich ist, besteht hierbei dicht am Einlass des Magneten eine Feldumkehr,
so dass in diesem Bereich ein sehr starkes Magnetfeldgefälle vorhanden ist. Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Metallstabes
erheblich grosser als 1100 m je Minute ist, oder wenn das Werkstück einen grossen Durchmesser hat, so könnte die
Anzeigetiefe flacher als erwünscht werden, weil zum Eindringen des Feldes eine bestimmte Zeit erforderlich ist. Eine längere
Zeitdauer in dem Feldgefälle vor dem Eintritt in die Spulen kann in diesem Fall erwünscht sein. Bei einem zylindrischen
Magnet, wie er in Fig. 4 gezeigt ist, könnten die Aufnahmespulen näher an dem Mittelpunkt des Magneten angeordnet sein,
wo das Feldgefälle weniger steil ist und sich über eine grössere Entfernung erstreckt. Bei Anwendung dieses Grundsatzes
kann die erwünschte Eindringtiefe des Feldes leicht erreicht werden. Wirbelströme, die in verschiedenen Bereichen des
Feldes erzeugt werden, fallen im allgemeinen sehr rasch ab. Z. B. verschwinden Wirbelströme in einem Kupferstab von
0,8 cm Durchmesser bei 20° C und einer Bewegungsgeschwindigkeit des Stabes von 1100 m je Minute im wesentlichen schon
bevor sie 0,7 cm von der Stelle entfernt sind, an der sie erzeugt wurden.
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Claims (9)
1. Verfahren zum Anzeigen und Messen von Fehlern in einem Metallstab, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallstab
in einer ersten Richtung durch ein in dieser Richtung ein konstantes Gefälle aufweisendes Magnetfeld hindurchbewegt
wird und an einer bestimmten Stelle dieses Gefälles Änderungen des in dem Stab umlaufenden Wirbelstromes als
Punktion der Zeit aufgenommen werden, von denen eine Leistungsanzeige als Hinweis auf Änderungen in der Zusammensetzung
oder Abmessungen des MetalHsbabes gegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeldgefälle einen Wert von im wesentlichen 2000
Gauß je Zentimeter hat und der Metallstab, in der genannten Richtung axial und mit einer linearen Geschwindigkeit
von im wesentlichen 1100 m je Minute bewegt wird.
3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer zur
Erzeugung eines konstanten Magnetfeldgefälles in einer Richtung dienenden Vorrichtung (16, 30) sowie mit einer
Vorrichtung zur axialen Bewegung des zu prüfenden Metallstabes (14) entlang dem Magnetfeldgefälle und dicht neben :
dem durch das Magnetfeldgefälle bewegten Metallstab in einem Bereich des Magnetfeldgefälles, in dem die Änderung
dieses Gefälles im wesentlichen konstant ist, mit Aufnahmevorrichtungen (19) versehen ist, die ein sich in Abhängigkeit
von Änderungen in dem Netto-Magnetfeld infolge von Änderungen des Wirbelstromes in dem Metallstab ändern- ;
des Ausgangssignal erzeugen und zur Anzeige von Änderungen in ihrem Ausgangssignal und damit von Fehlern in dem
Metallstab mit einer Auslassvorrichtung (21) verbunden sind. ·
4. Einrichtung nach Anspruch 3>
dadurch gekennzeichnet, dass ' die Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldgefälles aus
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2 b O O ^t O 6
einem dauernd magnetisieren zylindrischen Magnet (16, 30)
besteht.
5· ' Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes zusätzlich zu dem Dauermagnet (16) ein an diesem angrenzendes,
sich axial in der ersten Richtung erstreckendes zylindrisches Glied (17) aufweist, das aus einem Material hoher
Permeabilität besteht und in der ersten Richtung innen konisch ausgebildet ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5» dadurch gekennzeichnet,
dass die Aufnahmevorrichtung aus zwei die Längsachse der Einrichtung konzentrisch umgebenden Induktionsspulen
(19) besteht, die elektrisch gegengeschaltet sind, so dass eine Änderung des Magnetfeldes in rur
der ersten Richtung eine entgegengesetzt gerichtete elektromotorische Kraft in den Spulen erzeugt.
7- Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Induktionsspulen (19) in Reihe gegengeschaltet sind und die Auslassvorrichtung (21) durch einenDifferentialverstärker
gebildet ist, der mit der Reihenkombination der Spulen verbunden ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7? dadurch gekennzeichnet, dass
der Differentialverstärker (21) mit einem Oszilloskop (22) verbunden ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,j
dass der Differentialverstärker (21) mit einem Impuls- ' zähler (23) verbunden ist. . ;
Der Patentanwalt
50 98 32/0893
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