DE2558904A1

DE2558904A1 - Elektromagnetische induktionsanzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE2558904A1
Application number: DE19752558904
Authority: DE
Inventors: Seigo Ando; Takeo Yamada
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1974-12-27
Filing date: 1975-12-27
Publication date: 1976-11-18
Also published as: US3995211A; FR2296174B1; JPS5439153B2; FR2296174A1; JPS5177378A; GB1504180A; DE2558904C3; DE2558904B2

Description

PATENTANWALT K

DR.-ING. WOLFRAM BUNTE DR. WERNER KINZEBACH

D-BOOO MÜNCHEN 4O. BAUERSTRASSE 22 ■ FERNRUF (O89) 37 65 83 · TELEX B21S2OS ISAR D POSTANSCHRIFT: D-BOOO MÜNCHEN 43. POSTFACH 7BO

München, 27. Dezember 1975 M/16336

NIPPON KOKAN KABUSHIKI KAISHA 1-2, 1-chome, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokio (Japan)

Elektromagnetische Induktionsanzeigevorrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Induktionsanzeigevorrichtung zum Auffinden von Materialteilen, deren elektrische oder magnetische Eigenschaften sich von anderen Teilen eines zu prüfenden Metallstückes unterscheiden, wie es z.B. bei zwischen Metallstücken liegenden Schweißnähten oder bei Materialfehlern der Fall ist.

Schweißnähte von durch Stumpfschweißung hergestellten Stahl-Platten und Materialfehler wie feine Löcher oder Vakuolen haben elektrische oder magnetische Eigenschaften, die von denen der anderen homogenen Teile des Metallstückes verschieden sind, so daß man das Vorliegen, die Charakteristika und die Lage derartiger Schweißnähte oder Materialfehler durch Messung der

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Unterschiede der elektrischen oder magnetischen Charakteristika feststellen kann. Eine typische Vorrichtung des Standes der Technik zum Auffinden derartiger Schweißnähte oder Materialfehler ist in der beiliegenden Figur 1 dargestellt. Diese Vorrichtung enthält zwei Meßspulen 2.. und 2„, die auf magnetische Kerne -, z.B. aus Ferrit., gewickelt sind und in Bewegungsrichtung einer Stahlplatte 1, die durch eine Schweißnaht 3 zusammengehalten wird, angeordnet sind, wobei ein bestimmter Abstand zwischen den Meßspiien und der Stahlplatte und variable Impedanzen a und b, die zusammen mit den Meßspulen eine Wechselstrom-Brückenschaltung 2B bilden, gegeben sind. Eine Wechselstrom-Bezugsspannung aus einem Oszillator 3 wird parallel zu den Eingangsklemmen der Brückenschaltung 2B angelegt und ihre Ausgangsleistung wird via Bandpa3verstärker 4B an einen Synchrondetektor gegeben, so daß man eine synchrorVangezeigte Ausgangsleistung erhält. Die Ausgangsleistung des Oszillators 3 wird ebenfalls an den Synchrondetektor 5 gegeben. Während die unteren Enden der Kerne der Meßspulen 2, und 2„ in einem bestimmten Abstand -C von der Oberfläche der Stahlplatte 1 gehalten werden, wird die Wechselstrombrücke durch Einstellung der variablen Impedanzen a und b abgeglichen. Wenn die Stahlplatte 1 sich in Pfeilrichtung bewegt, so daß Teile der Stahlplatte mit anderen elektrischen oder magnetischen Charakteristika, d.h. der Hauptteil der Platte und die Schweißnaht, unter den Meßspulen durchgehen, so ändern sich die Impedanzen der Meßspulen abrupt aufgrund der raschen Änderung des in der. Schweißnaht S induzierten Wirbelstromes. Die Impedanzen der Meßspulen ändern sich zu verschiedenen Zeitpunkten und die dadurch verursachte nicht abgeglichene Ausgangsleistung der Wechselstroinbrückenschaltung wird durch den Bandpaßverstärker 4B verstärkt und dann durch den Synchrondetektor 5 synchron angezeigt, wodurch ein Ausgangssignal an der Ausgangsklemme 6 erzeugt wird. Die Charakteristik oder die Lage der

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Schweißnähte kann anhand der Wellenform des Ausgangssignales bestimmt werden.Ein Beispiel für eine Wellenform ist in Figur 2 dargestellt, in dieser Figur ist auf der Abszisse der horizontale Abstand von dem zwischen den Meßspulen 2, und liegenden Mittelpunkt 0 und der Schweißnaht S aufgetragen, während auf der Ordinate die Höhe der Ausgangsleistung aus dem Detektor 5 in relativen Zahlen aufgetragen ist. Wenn die homogenen Teile der Stahlplatte - im Unterschied zur Schweiß- \ naht - die Meßspulen passieren, so ist die Ausgangsleistung i des Detektors gleich Null. j

Die in Figur 1 dargestellte Anzeigevorrichtung hat die folgenden Nachteile:

(1) Die Wechselstrombrückenschaltung ist schwer abzugleichen;

(2) das Verhältnis zwischen der Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsleistung aus der Brückenschaltung und der Änderungsgeschwindigkeit der Impedanz-Werte der Meßspulen, d.h. die Empfindlichkeit der Anzeigevorrichtung, ist konstant ;

(3) wenn die Ausgangsleistung aus dem Oszillator 3 höhere harmonische Schwingungen enthält, so verursachen sie Störungen der Wechselstrom-Brückenschaltung oder Sättigung des Bandpaßverstärkers, wodurch die Anzeigegenauigkeit verschlechtert wird;

(4) die durch TemperaturSchwankungen oder Alterung verursachten Schwankungen der variablen Impedanzen bewirkt eine Nichtabgeglichenheit der Wechselstrombrückenschaltung und eine'Verschlechterung der Anzeigegenauigkeit,' und

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(5) da Schwankungen des Abstandes -t Anzeigefehler verursachen, muß man Maßnahmen ergreifen, um den Abstand -£ auf einem bestimmten Wert zu halten - das kann man z.B. aus Figur 2 entnehmen -.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung einer elektromagnetischen Anzeigevorrichtung von der Art einer Induktionsanzeigevorrichtung, mit der die zahlreichen oben beschriebenen Nachteile beseitigt werden können.

^Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektromagnetische Induktionsanzeigevorrichtung, die gekennzeichnet ist durch einen einpolig geerdeten Wechselstrom-Bezugssignalerzeuger, einen rückgekoppelten Verstärker mit einem Eingangsanschluß für den Empfang des Wechselstrom-Bezugssignals, ein Rückkopplungsnetzwerk ("feedback network"), das mit dem Ausgang des rückgekoppelten Verstärkers, dem anderen Eingang davon und der geerdeten Klemme verbunden ist, so daß eine Rückkopplüngsspannung zwischen der geerdeten Klemme des Wechselstrom-Bezugssignalerzeugers und dem anderen Eingang des rückgekoppelten Verstärkers anliegt, und eine Anzeigevorrichtung S"'~:i Anzeigen der Ausgangsleistung des rückgekoppelten Verstärkers, wobei zu dem Rückkopplungsnetzwerk ("feedback network") e^r.e Vielzahl von Anzeigeelementen gehört, die in Übereinstiirsisung mit den Änderungen der elektrischen oder magnetischen Charakteristika eines zu untersuchenden Metallstückes ihre Impedanzen ändern. Dabei sind die Ä^zeigeelenente so verbunden» daß die Rückkopplungsspannung parallel zu wenigstens einem davon erzeugt wird,, und die An— ^Ci gee lernen te sind« bezüglich des zu untersuchenden Metallstückes so angeordnet, daß wenn die homogenen Teile des Metctllstücki-s sieb relativ zu den Anzeigeelementen bewegen, die Anzeigeelemente den Rückkopplungsfaktor des Rückkoppiuagsnfet2\«erxes auf einem im wesentlichen konstanten Wert

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halten und wenn ein Teil des Metallstückes mit elektrischen oder magnetischen Charakteristika, die von denjenigen des homogenen Teiles des Metallstückes verschieden sind, sich relativ zu den Anzeigeelementen bewegt, die Umkehrung zwischen einem größeren Rückkopplungsfaktor als dem konstanten Wert und einem kleineren Rückkopplungsfaktor als dem konstanten Wert erreicht wird.

Nun zu den beiliegenden Zeichnungen:

In Figur 1 ist ein Blockdiagramm dargestellt, das ein Beispiel für eine bekannte elektromagnetische Induktionsanzeigevorrichtung veranschaulicht,

Figur 2 zeigt Wellenformen des Detektor-Ausgangssignals der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung,

Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Beispiels für eine elektromagnetische Induktionsanzeigevorrichtung ,

Figur 4 zeigt die Wellenformen des Detektor-Ausgangssignals der in Figur 3 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführung s f ο rm, und

Figur 5 zeigt ein Schaltschema mit einer modifizierten Anordnung der Meßspulen bezüglich eines zu untersuchenden Metall Stückes.

In Figur 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, in der Elemente, die den in Figur 1 gezeigten entsprechen, die gleiche Bezeichnung tragen. Eine Klemme des Oszillators 3, der zur Erzeugung eines Wechselstrom-Bezugssignals dient, ist geerdet und der andere Ausgang ist mit dem einen Eingang eines rückgekoppelten Verstärkers 4F verbunden. Die Eingangsspannung ist mit V. bezeichnet.

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Außerdem ist ein Rückkopplungsnetzwerk 2F mit dem Ausgang des rückgekoppelten Verstärkers 4F, dem anderen Eingang des rückgekoppelten Verstärkers und der geerdeten Klemme des Oszillators 3 verbunden. Das rückgekoppelte Netzwerk ("feedback network") 2F weist zwei Meßspulen 2, und 2_ auf, die in der durch einen Pfeil angedeuteten Bewegungsrichtung der Stahlplatte 1 räumlich voneinander getrennt sind. Die Kerne der Meßspulen haben einen Abstand -C von der Oberseite der Stahlplatte 1. Der gemeinsame Verbindungspunkt zwischen den zwei Meßspulen ist mit dem anderen Eingang des rückgekoppelten Verstärkers 4F verbunden. Die Ausgangsleistungen V_QUt aus dem rückgekoppelten Verstärker 4F wird an einen Synchrondetektor angelegt, der eine Ausgangsklemme 6 aufweist.

Der Wechselstrom aus dem rückgekoppelten Verstärker 4F fließt durch in Reihe geschaltete Meßspulen 2, und 2«, so daß magnetische Wechselflüsse induziert werden, die durch die Kerne der entsprechenden Meßspulen und die Stahlplatte 1 fließen und darin Wirbelströme induzieren. Solange die homogenen Teile der Stahlplatte 1 unter dem Meßspulenpaar hindurchgehen, ändern sich die Impedanz-Werte der entsprechenden Meßspulen nicht. SobäÜ jedoch die Schweißnaht S, die andere elektrische oder magnetische Eigenschaften besitzt, die Meßspulen passiert, verändert sich der Wirbelstrom abrupt und verursacht so eine abrupte Änderung der Impedanzwerte der Meßspulen.

Bezeichnet man den Verstärkungskoeffizienten des rückgekoppelten Verstärkers 4F mit A_f wenn er nicht mit einer Rückkopplung beaufschlagt ist, denjenigen des Verstärkers 4F mit G, wenn er mit einer Rückkopplung beaufschlagt ist,den Rückkopplungsfäktor des rückgekoppelten Netzwerkes 2F mit /3 und die Impedanzen der Meßspulen mit Z, bzw. Z_, so erhält man die folgende Gleichung (1):

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l-A/3 1-A-Z₁Zz₃+ζ

Aus der Gleichung (1) ist ersichtlich/ daß wenn der Verstärkungen

tffiV:ent A - wenn keine Rückkopplung besteht - auf einem kons'caiicen t gehalten wird, der Verstärkungskoeffizient G sich entsprechend der Änderung des Rückkopplungsfaktors ß, daλ ist Z-./2,-+ Z„, ändert. Da Z, im wesentlichen gleich Z„ ist, wenn die homogenen Teile der Stahlplatte 1 die Meßspulen passieren, beträgt der Rückkopplungsfaktor ß etwa 0,5. Angenommen die Schweißnaht S kommt unter die Meßspulen und der durch die Schweißnaht £ fließende Wirbelstrom nimmt ab, so nehmen dadurch die Impedanzen der Meßspulen zu. Nähert sich die Schweißnaht S der :we'ten MeBspule 2₂„ so nimmt die Impedanz Z₂ dieser* Spule .llr;h: '-.-zh. za und erreicht ein Maximum, sobald die Schweißnaht. ;,;:;■: ztdiar uater den Kern der Meßspule 2₂ gelangt. Da die Irao«- : . d~r MeBspulen 2, noch immer bei einem konstanten Wert ?*-· hai. ~n -*i.r.c, *«at unter diesen Bedingungen Ζ,/Ζ.+Ζ« = ß ein Mi-1" u .veiuti- rcrechend ergibt sich aus Gleichung (1) , daß auc.i

•3 - t.:l_} igskoef f izient G des rückgekoppelten Verstär- ι *-ΐ »ι; i t? iiern Minimum-Wert liegt. Nähert sich nun die i Γ :iijj"-.·*- d-sr ersten Meßspuie 2, , so nimmt der Impedanz--all ^ihl: ζ'ά z^j.; and erreicht einen Maximum-Wert, wenn die Schweißnaht E¹ .iTuiättelbar unter die Meßspule 2, gelangt. In diesem nbl-isJA erreicht 2,/EvI-Z₂ = ß ein Maximum, da der Impedanz-

Z- ü&z zweiten Meßspule 2_O auf den normalen Wert zurück-. i.us Gleichung {!) ergibt sich, daß dann der Verstärkung· < J.;.^::- des rückgekoppelten Verstärkers 4F sein Maximum : iciifc- toi der vorstehenden Beschreibung läßt sich folger.is>s '\ it a« '''enr. beide Spulen mit den homogenen Teilen der Stahl-.-ε κα , irritiert sind (Teile, die keine Schweißnaht S entar y . -. ,^enn Z-,=Z„_# so wird der Rückkopplungsfaktor df-.a

Rückkopplungsnetzwerkes als der normale Rückkopplungsfaktor eingestuft. Sobald jedoch die Schweißnaht S die Meßspule 2~ passiert, wird der Rückkopplungsfaktor kleiner als der normale Faktor und sobald die Schweißnaht die Meßspule 2, passiert, wird der Rückkopplungsfaktor größer als der normale Rückkopplungsfaktor. Wenn daher die Schweißnaht einen Punkt zwischen den beiden Meßspulen passiert, wechselt der Rückkopplungsfaktor vom Minimum zum Maximum mit dem Ergebnis, daß der Verstärkungskoeffizient vom Minimum zum Maximum wechselt. Wählt man einen geeigneten Abstand zwischen den zwei Meßspulen, so kann man eine abrupte Umkehr des Rückkopplungsfaktors erreichen.

Bezeichnet man den Eingang des rückgekoppelten Verstärkers 4F mit V. und den Ausgang mit V . , so kann man folgende Gleichung (2) schreiben:

Diese Ausgangsspannung V. wird synchron zu der Wechselstrom-Bezugs spannung V. durch den Synchrondetektor 5 angezeigt.

In Figur 4 ist die Wellenform des Ausgangssignals des Synchrondetektors 5 dargestellt, wobei der Nullpunkt auf der Abszisse dem Mittelpunkt zwischen zwei Meßspulen entspricht und die mit negativen Zahlen bezeichneten Abstände sind die Horizontalabstände zwischen dem Nullpunkt und der Schweißnaht S, wenn die Schweißnaht die zweite Meßspule 2₂ passiert und sich dann dem Nullpunkt nähert. Die mit positiven Zahlen bezeichneten Abstände sind die horizontalen Abstände zwischen dem Nullpunkt und der Schweißnaht S, wenn dieselbe vom Nullpunkt zur ersten Meßspule 2, wandert. Auf der Ordinate ist in relativen Zahlen die Höhe der Detektorausgangsleistung aufgetragen, wobei der Nullpunkt

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die Detektorausgangsleistung darstellt, wenn die homogenen Teile der Stahlplatte 1 beide Meßspulen passieren, d.h. wenn der Rückkopplungsfaktor normal und konstant ist. In Figur 4 sind drei Kurven abgebildet, sie entsprechen einem Abstand €. = 15 mm, £= 20 mm bzw. € = 25 mm.

Wie Figur 4 deutlich zeigt, ändern sich die Amplitudenminima und -maxima nicht wesentlich, selbst wenn der Abstand -C variiert wird, und der Punkt der Inversion vom positiven zum negativen Wert des Detektorausgangs ist - unabhängig vom Abstand-C - im wesentlichen konstant. Bei der in Figur 1 dargestellten bekannten Vorrichtung wandert der Inversionspunkt um etwa 3 mm, wenn man den Abstand-£ ändert, wie in Figur 2 gezeigt, während bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Inversionspunkt konstant ist, wie Figur 4 zeigt. Dies bedeutet, daß es möglich ist, die Lage der Schweißnaht mit hoher Genauigkeit anzuzeigen, unabhängig von Schwankungen des Abstandes -C -

Erfindungsgemäß ist es außerdem möglich, beliebige Anzeigeempfindlichkeiten auszuwählen, vorausgesetzt die Impendanzen Z·^ und Z„ ändern sich in gleichem Umfange, wenn der Verstärkungskoeffizient A - wenn keine Rückkopplung für den rückgekoppelten Verstärker 4F vorhanden ist - auf irgendeinem bestimmten Wert gehalten wird. Außerdem wurde experimentell bestätigt gefunden, daß die Anzeigegenauigkeit nicht beeinträchtigt wird, selbst wenn der Ausgang aus dem Wechselstrombezugssignal-Oszillator 3 höhere harmonische Schwingungen enthält.

Obgleich der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform ein Synchrondetektor verwendet wird, können auch andere Detektoren verwendet werden, bejq?ielsweise ein Amplitudendetektor. Obgleich im vorliegenden Fall das Auffinden einer Schweißnaht

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stumpfgeschweißter Eisenplatten beschrieben worden ist, kann man auch das Vorliegen, die Eigenschaften und die Lage anderer Verschweißungsarten anzeigen bzw. auffinden, beispielsweise überlappte Schweißungen, oder man kann Materialfehler, Nadellöcher etc. des zu prüfenden Materials auffinden, Bezüglich des zu prüfenden Materiales ist man nicht auf magnetisches Material beschränkt, es kann vielmehr jedes metallische Material untersucht werden. Die Meßspulen und das Material werden relativ zueinander bewegt.

In Figur 5 ist die Anordnung eines modifizierten Rückkopplungsnetzwerkes dargestellt. In diesem Fall wird angenommen, daß es sich bei der Stahlplatte 1 um eine dicke breite Platte handelt, die einen Fehler 7, z.B. einen Materialfehler, aufweist. Eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Meßspulen 2,, 3.., 4₁ und 5, ist senkrecht zur Bewegungsrichtung der Stahlplatte 1 angeordnet und ein Ende der Meßspule 5, ist geerdet. Eine andere Gruppe von in Serie geschalteten Meßspulen 2„, 3,,, 4₉ und 5„ ist in bestimmtem Abstand (zwischen entsprechenden Meßspulen) angeordnet und ein Ende der Meßspule 5~ ist an den Ausgang des rückgekoppelten Verstärkers angeschlossen. Die freien Enden der Meßspulen 2. und 2„ sind mit dem Eingang des rückgekoppelten Verstärkers verbunden. Der Fehler 7 passiert nur die Meßspulen 4₁ und ^ , dabei ändern sich die Impedanzen dieser Spulen und zeigen den Materialfehler an (wie im Zusammen hang mit der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform beschrie-· ben) . Wenn nur zwei Spub η verwendet werden (wie in Figur 3 dargestellt), ist es nicht möglich, Materialfehler aufzufinden, die irgendwo seitlich von den Meßspulen in der Eisenplatte sind.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

fI)J Elektromagnetische Induktionsanzeigevorrichtung mit Meßspulen, einem einseitig geerdeten Wechselstrom-Bezugssignal-Erzeuger, einem Verstärker und einem Synchrondetektor, gekennzeichnet durch einen rückgekoppelten Verstärker (4F) mit einem Eingangsanschluß für die Aufnahme des Wechselstrom-Bezugssignals, ein Rückkopplungsnetzwerk (2F), das mit dem Ausgang des rückgekoppelten Verstärkers (4F), dem anderen Eingang des rückgekoppelten Verstärkers und der geerdeten Klemme verbunden ist, und einen das Ausgangssignal des rückgekoppelten Verstärkers anzeigenden Detektor (5), wobei das Rückkopplungsnetzwerk (2F) eine Vielzahl von Anzeigeelementen (2,, 2₂·. aufweist, deren Impedanzen sich gemäß den Änderungen der elektrischen oder magnetischen Eigenschaften eines zu untersuchenden Metallstückes (1) ändern, wobei diese Anzeigeelemente (2,/ 2, ...) so geschaltet sind, daß die Rückkopplungsspannung parallel zu wenigstens einem von ihnen erzeugt wird und die Anzeigeelemente bezüglich des zu untersuchenden Metallstückes (1) so angeordnet sind, daß wenn die homogenen Teile des Metallstückes (1) sich relativ zu den Anzeigeelementen (2₁, 2j ...) bewegen, die Anzeigeelemente den Rückkopplungsfaktor des Rückkopplungsnetzwerkes bei einem im wesentlichen konstanten Wert halten.
2) Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Rückkopplungsnetzwerk, das in Reihe geschaltete erste und zweite Anzeige'elemente (2-, 2₂ ...) aufweist, die in Richtung der relativen Bewegung des zu untersuchenden Metallstückes (1) räumlich getrennt sind und das Metallstück nicht berühren, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem er-

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sten und zweiten Anzeigeelement mit dem anderen Eingang des rückgekoppelten Verstärkers (4F) verbunden ist, das andere Ende des ersten Anzeigeelementes (2,) geerdet ist und das andere Ende des zweiten Anzeigeelementes (2~) nu.t dem Ausgang des Rückkopplungsverstärkers verbunden ist.
3) Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungsnetzwerk eine erste und zweite Gruppe von in Reihe geschalteten Anzeigespulen aufweist, die in seitlicher Richtung zur Bewegungsrichtung des zu untersuchenden Metallstückes angeordnet sind, wobei ein Ende der zweiten Gruppe mit dem Ausgang des rückgekoppelten Verstärkers (4F) verbunden ist, ein Ende der ersten Gruppe geerdet ist und die·anderen Enden der beiden Gruppen an den anderen Eingang des rückgekoppelten Verstärkers angeschlossen sind, wobei jede der Anzeigespulen der ersten Gruppe und eine entsprechende Anzeigespule der zweiten Gruppe in einem bestimmten Abstand voneinander in Richtung der relativen Bewegung des Metallstückes angeordnet ist.

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