DE2600206A1

DE2600206A1 - Wirbelstromgenerator zur materialpruefung

Info

Publication number: DE2600206A1
Application number: DE19762600206
Authority: DE
Inventors: Suren Sarian
Original assignee: RELUXTROL Co
Current assignee: RELUXTROL Co
Priority date: 1975-01-06
Filing date: 1976-01-05
Publication date: 1976-07-15
Also published as: US4088953A; DE2600206C2

Description

Patentanwalts ? S ^!" Ί ^ Π R

Dr, !ππ. ν ;■·■ ϊ.?τ Ahltz

Γ. ü'IC^Or ι , '-,-.CM"'? 5· Januar 1976

THE RELUXTROL COMPANY

P. O. Box 21046, Seattle, Washington 98III, V. St. A.

Wirbelstromgenerator zur Materialprüfung

Die vorliegende Erfindung "betrifft die Materialprüfung mittels Wirbelströme und insbesondere verbesserte Wirbelstromgeneratoren, welche eine erheblich höhere Empfindlichkeit gegenüber in der Fähe der Oberfläche gelegenen Fehlstellen aufweisen sowie eine grössere Breite des Abtastbereichs und eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Randeffekten als bekannte Wirbelstromgeneratoren.

Die Prüfung mittels Wirbelströme stellt ein Verfahren, zur Ermittlung von in oder unter der Oberfläche gelegenen Rissen in elektrisch leitenden Materialien dar, oder zur Abschätzung von Materialeigenschaften, v/ie Härte, Dicke, Wärmebehandlungszustand und/oder andere metallurgische Zustände. Das Prüfobjekt wird in ein sich zeitlich veränderndes elektromagnetisches Feld gebracht, welches elektrische Ströme erzeugt. Derartige Ströme ähneln in ihrer Poria den

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Wirbeln einer tur"bulenten "Wasserströmung und werden daher Wirbe!ströme genannt. Die elektrische Stromstärke dieser Wirbelströne wird durch die elektrische Leitfähigkeit und die magnetische Durchlässigkeit des Prüfohjekts wie auch durch die Frequenz und Amplitude des angewandten elektromagnetischen Feldes bestimmt. Diese Wirbelströme erzeugen ihrerseits ihr eigenes elektromagnetisches Feld, welches entweder durch seine Einwirkung auf die Impedanz der primären Erregerspule oder durch ihre Einwirkung auf eine unabhängige Fühlerspule ermittelt werden kann.

Das Grundelement einer jeden Vorrichtung zur Werkstoffprüfung mittels Wirbelströme ist ein Wirbelstromgenerator, welcher neben der Oberfläche des zu testenden Materials angeordnet wird.

Die Materialprüfung mittels Wirbelströme hat folgende Anwendungen :

1. Auffinden und messtechnische Erfassung von Rissen im Oberflächenbereich von Eisen- und ificht-Eisenisetalleu und Legierungen.

2. Auffinden und messtechnische Erfassung von Müdigkeitserscheinungen im Oberflächenbereich von Eisen- und liieht-Eisenmetallen und Legierungen.

3. Auffinden und messtechnische Erfassung einer Oxidation und Korrosion von Metallen und Legierungen.

4. Dickenmessung elektrisch nicht-leitender Überzüge auf Metallen und Legierungen.

5. Dickenmessung elektrisch leitender Überzüge auf nichtleitenden Substraten.

6. Messungen der Härte im Oberflächenbereich von thermisch behandelten Metallen und Legierungen (beispielsweise beim Einsatzhärten).

7. Messung der Eigenschaften im Oberflächenbereich (beispielsweise der Härte) von thermochemisch behandelten (Aufkohlen, Entkohlen, !Titrieren) Stählen und anderen Metallen

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und Legierungen.

8. Messung des Anteils der Kaltverformung in Metallen und Legierungen.

9. Auffinden und messtechnische Erfassung von Oberflächenspannungen und Dehnungen.

10. Indirekte Messung der physikalischen Eigenschaften durch Messung der Suszeptibilität und Leitfähigkeit im Oherflächen-"b ere ich.

11. Messung der Dicke von Nickel- und/oder Chromplattierungen auf Kohlenstoffstählen.

12. Ermittlung von Rissen und Porosität in hartgelöteten, geschweissten oder gelöteten Verbindungsstellen.

13« Ermittlung und Messung von Porosität in Eisen- und Nicht-Eisenmetallen und Legierungen.

14· Messung der Dicke von Folien und Rohren aus Eisen- und Nicht-Eisenlegierungen

15. Messung der Exzentrizität und Wanddickengleichmässigkeit von Rohren aus Eisen- und Nicht-Eisenmetallen und Legierungen.

16. Ermittlung von metallischen Einschlüssen in Isolatoren und Halbleitern.

17. Ermittlung von nicht-leitend en Einschlüssen und ausgeschiedenen Teilchen in Metallen und Legierungen.

18. Messung der Oherflächentemperatüren.

Die vorliegende Erfindung "betrifft die Herstellung von Wirhel stromgeneratoren, Vielehe auf verhältnismässig geringe Änderungen des Zustands des OTDerflächenbereichs ansprechen. Die Zustände in dem in der Nähe der Oberfläche gelegenen Bereich werden durch Abführung der Wirkung der Wirbelströme auf die Impedanz der Erregerspule Überwacht. Die grössere Empfindlichkeit auf den zu messenden Zustand wird durch eine Steuerung der räumlichen Ausdehnung des magnetischen Plusses und durch Konsentration des magnetischen Widerstands des Wirhelstromgenerators in einem Yolumen gesteuerter Grosse und Porin im Sub-Oherflächenbereich des zu prüfenden Materials erreicht.

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Diese Steuerung des Flusses und des magnetischen Widerstands gestattet den Entwurf von Wirbelstromgeneratoren mit erheblich grösserer Empfindlichkeit auf Materialzustände im Bereich der Oberfläche, mit grösserer Breite des Abtastbereichs und mit geringerer Empfindlichkeit auf störende Randeffekte als dies mit den üblichen Wirbelstromgeneratoren möglich ist. Dies wird erreicht während die elektrische Impedanz des Wirbelstromgenerators auf einen Wert gehalten wird, welcher in der Nähe des optimalen Werts für das Arbeiten eines . elektrischen Präzisions-Impedanzmessgeräts liegt·

Die betrachteten Wirbelstromgeneratoren enthalten eine einzige Spule aus einem elektrisch leitenden Draht, wobei die elektrische Impedanz Z dieser Spule überwacht wird, wenn der Wirbelstromgenerator längs der Oberfläche des zu prüfenden Naterials bewegt wird. Änderungen von Z sind ein Mass für Änderungen im Bereich der Oberfläche des zu prüfenden Materials.

Unter Vernachlässigung des Widerstands und der Streukapazität des Drahtes ist die Impedanz der Spule gegeben durch Z = iwL, wobei die Induktivität I=F /R₁ wenn w die Frequenz des elektromagnetischen Signals, N die Anzahl der Drahtwindungen der Spule, R der magnetische Widerstand der Spule und i = (-1)^1/2 ist.

Man kann den magnetischen Widerstand des magnetischen Kreises der Spule in zwei parallele Zweige aufteilen. Ein Zweig R , welcher hier als magnetischer Parallelwiderstand bezeichnet wird, beeinflusst den magnetischen Pluss, v/elcher nicht . durch das zu prüfende Material hindurchtritt, während der zweite Zweig den magnetischen Pluss beeinflusst, welcher durch das zu prüfende Material hindurchtritt. Dieser zweite Zweig besteht wiederum aus zwei in Reihe geschalteten Anteilen, wovon einer aus dem magnetischen Widerstand besteht, welcher durch den Pluss ausserhalb des zu prüfenden Materials bedingt ist und welcher hier als magnetischer Serienwiderstand

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R bezeichnet wird, während der zweite Anteil aus R dem magnetischen Widerstand "besteht, welcher durch den innerhalb des zu prüfenden Materials "befindlichen Fluss "bedingt ist. In diesem Falle ist R komplex und wegen des Einflusses der Wirte!ströme frequenzabhängig. Der nachfolgend aufgeführte magnetische Äquivalentkreis zeigt den Zusammenhang der einzelnen magnetischen Widerstände

ΛΛτΛΛ-

Die Induktivität der Spule ist nährungsweise L = N (R +Rg+R₁₁) (R_s+R_mr¹R ~¹. Die verhältnismässige Änderung der Induktivität

ist ein Mass für die Empfindlichkeit des Wirbelstromgenerators auf Materialänderungen.

Aus Gleichung (1) ergibt sich, dass die maximale Empfindlichkeit erhalten wird, wenn R »R_»R_ ist, d. h. falls der

JJ Iu S

magnetische Gesamtwiderstand des magnetischen Kreises der Spule in dem zu prüfenden Material konzentriert ist. Für R >^R_m ^>>R_s ergibt sich

L = fi- (2a)

^Λτ . ^Rm

Für ein einen geringen Fehler aufweisendes Material kann der magnetische Widerstand R des Materials in zwei parallele

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Zweige aufgeteilt werden. Ein Zweig R^ steuert den Fluss, welcher durch das Fehlervolumen tritt. Der zweite Zweig S* steuert den Fluss, welcher nicht durch das Fehlervolumen tritt. Der magnetische Äquivalentkreis für den magnetischen Widerstand des Materials wird durch folgende Schaltung gegeben:

^Rd

ΑΛΑ-

A/yv

^Rm

wobei der magnetische Widerstand des Materials näherungsweise durch die folgende Gleichung (3) gegeben wird:

^Rm = ^RmV^Rm^+Rd)~¹ (3)

Unter einem geringen Fehler wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass der durch das Fehlervolumen fliessende Fluss viel kleiner als der durch das Material fliessende Gesamtfluss. ist. Daher wird Rß-^R™ und R = R*. Die Änderung des magne- γ tischen Widerstands, welche als Folge eines geringen Katerialfehlers erhalten wird, ist somit gegeben durch

wobei AR^ den Unterschied von R-, zwischen einem fehlerfreien Material und einem fehlerbehafteten Material angibt. Wird die Empfindlichkeit gegenüber kleinen Fehlern optimiert, indem R ^^-R >^E gemacht wird, so gilt

dL/L = (R_m/R_d) (AR_d/R_d) (5)

R ist proportional ρ /ν und R^ ist ρ proportional, wobei

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ρ die wirksame Bahnlänge des Flusses in dem zu prüfenden Material darstellt und ν das effektive geprüfte Materialvolumen, durch welches der Fluss hindurchtritt. Aus Gleichung (5) folgt, dass Al/l den Viert von v~ proportional ist, d. h. die Empfindlichkeit ist einem Wert umgekehrt proportional, welcher in diesem Zusammenhang als das magnetische Widerstandsvolumen bezeichnet wird.

Darüberhinaus enthält die Impedanzmessvorrichtung Beschränkungen für das Optimum von L und entsprechend von IL· (diesbezüglich wird auf Gleichung (2b) verwiesen)· Daher muss für ein Optimum an Empfindlichkeit das magnetische Widerstandsvolumen so klein wie möglich gemacht werden, während das Verhältnis ρ /ν einem konstanten Wert entspricht. Dies bedeutet, dass beträchtliche Vorteile erhalten werden, wenn sowohl die Form als auch die Grosse des magnetischen Widerstandsvolumen gesteuert werden.

Ein zweiter Vorteil, welcher sich aus der Steuerung der Form des magnetischen Widerstandsvolumens ergibt, liegt darin, dass ein Entwurf von Wirbelstromgeneratoren mit erheblich grösserer Abtastbreite möglich ist, als diese bei üblichen Generatoren erzielt werden kann. Eine grössere Abtastbreite bedeutet, dass ein grösserer Bereich der Materialfläche bei einer einzigen Abtastung erfasst wird.

Damit der magnetische Widerstand öes Wirbelstromgenerators wirksam in einem kleinen Volumen gesteuerter Formgebung im Sub-Oberflächenbereich des zu prüfenden Materials konzentriert werden kann, ist es erforderlich, beim Bau des Wirbelstromgenerators Werkstoffe mit niedrigem magnetischen Widerstand wie auch Werkstoffe mit hohem magnetischen Widerstand zu verwenden.

Viele Wirbelstromgeneratoren verwenden Werkstoffe mit niedrigem magnetischen Widerstand, welche R verringern oder in einigen Fällen im wesentlichen eliminieren. Dabei verringern

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Werkstoffe mit niedrigem magnetischen Widerstand jedoch, ebenfalls R , wobei in einigen Fällen diese Terringerung von R zu einer verringerten Spulenempfindlichkeit führen "kann. Die US-PS 2 933 677, die anschliessend näher erläutert wird, stellt ein Beispiel für einen Wirbelstromgenerator dar, "bei dessen Bau nur Werkstoffe mit niedrigem magnetischen Widerstand verwendet wurden. Derartige Wirbelstromgeneratoren konnten nicht mit Erfolg den magnetischen Widerstand in dem zu prüfenden Material konzentrieren, noch die Formgebung des magnetischen Widerstandsvolumens steuern.

Ein hoher magnetischer Wechselstromwiderstand, welcher wesentlich für eine Konzentration und Steuerung der G-rösse und Form des magnetischen Widerstandsvolumens ist, kann durch die Verwendung von Werkstoffen erhalten werden, welche eine elektromagnetische Eindringtiefe aufweisen, die viel kleiner als der Betrag ist, den eine typische Flusslinie durch dieses Material (mit hohem magnetischen Widerstand) zurücklegt. Derartige Werkstoffe sind gelegentlich zur Abschirmung in Wirbelstromgeneratoren verwendet worden. Der Zweck dieser Abschirmung liegt darin, die Empfindlichkeit des Wirbelstromgenerators auf nahe gelegene "bauliche Diskonitinuitäten, wie Kanten, zu verringern und ferner den Einfluss von äusseren elektromagnetischen Störungen zu verkleinern. Eine derartige Anwendung ist in der US-PS 3 626 344 "beschrieben, auf welche anschliessend ebenfalls eingegangen- wird. Bei Abschirmungen verringert das Material mit hohem magnetischen Widerstand das magnetische Widerstandsvolumen, wodurch ein Ansteigen der Empfindlichkeit der Spule gegenüber Fehlerstellen erhöht wird, wobei iedoch auch R '

ansteigt, wodurch die Empfindlichkeit gegenüber Fehlerstellen verringert wird; deshalb .konnten durch eine derartige Abschirmung nur unerhebliche Gewinne in der Empfindlichkeit gegenüber Fehlerstellen erzielt werden.

Bisher wurden Werkstoffe mit hohem magnetischem Widerstand

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nicht zur Konzentration des magnetischen Widerstands in dem zu prüfenden Material verwendet ,noch um R beträchtlich zu "beeinflussen und desgleichen auch nicht, um die Formgebung des magnetischen Widerstandsvolumens zu steuern·

Die allgemeinen Grundsätze einer Prüfung mittels Wirbelströme sind in Literaturstellen, wie "Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung", IT .A.S.A. 1963, Seiten 101 bis 118 beschrieben, desgleichen in "Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung" von McGonnogle, Seiten 346 bis 390 und "Handbuch für zerstörungsfreie Werkstoffprüfung" von McMaster, Seiten 36.1 bis 36.21.

US-PSen, welche den Stand der Technik wiedergeben, sind 2 933 677 und 3 626 344.

Die US-PS 2 933 677 zeigt einen Wirbelstromgenerator, v/elcher eine einzige, aus mehreren Schichten bestehende Spule aufweist, sowie einen Spulenkern aus einem Material mit niedrigem magnetischem Widerstand und eine die Spule umgebende Abschirmung aus Material mit niedrigem magnetischem Widerstand zur Beseitigung von Streufeldwirkungen und zur Konzentrierung des wirksamen Messbereichs des Prüfgeräts. Das Prüfgerät ■ verwendet keine Werkstoffe mit hohem magnetischem Widerstand. Daher kann die Anordnung der US-PS 2 933 677 bei den meisten Anwendungen nicht die Empfindlichkeit gegenüber Änderungen des Werkstoffs im Oberflächenbereich erzielen, die erfindungsgemäss erhalten wird.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Merkmale, welche die Empfindlichkeit des Fühlers gemäss US-PS 2 933 677 bestimmen.

Gemäss Fig. 1 bestehen der Ferritzylinder 1 und die innere Kern 2 aus Werkstoffen mit niedrigem magnetischem Widerstand. Der magnetische Widerstand des zu prüfenden Materials 3 ist

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im allgemeinen grosser als der magnetische Widerstand der Luft, Eine Plusslinie, welche nicht durch das zu prüfende Material tritt und welche hier als parallele Plusslinie bezeichnet wird, ist mit 4 bezeichnet, während eine Plusslinie, welche durch das zu prüfende Material tritt, mit 5 bezeichnet wird.

Die Grosse der Plusslinie wird durch den magnetischen Widerstand bestimmt, welcher ihr entgegentritt, wenn sie durch die verschiedenen Werkstoffe der Schleife hindurchtritt. In den Abschnitten 4da und 4bc der Schleifen tritt der Pluss 4 durch Perrit-Werkstoffe mit niedrigem magnetischem Widerstand, welche dem Pluss im wesentlichen einen Widerstand gleich Null entgegensetzen. In den Abschnitten 4ab und 4cd tritt der Pluss jedoch durch Luft, welche den magnetischen Gesamtwiderstand für den Parallelfluss bestimmt. Ist der magnetische Widerstand des Materials, welches die Abschnitte 4ab und 4cd aufweist, gleich R , so ist der magnetische Gesamtwiderstand für den parallelen Pluss durch die Gleichung R i 2R gegeben.

Der vorausgehend erläuterte magnetische Serienwiderstand ist durch die Summe der magnetischen Widerstände im Plussweg 5, welcher durch die Abschnitte ef, fa, ab, bc und cd tritt, bestimmt. In den Abschnitten 5fa und 5bc tritt der Pluss durch Perrit-Werkstoffe, so dass in diesen Bereichen der magnetische Widerstand im v/esentlichen gleich Full ist. Im Abschnitt 5ab ist der magnetische Widerstand näherungsweise 3R₀J weil die Weglänge für den Pluss in diesem Abschnitt näherungsweise 3mal grosser ist als die Weglänge im Abschnitt 4ab. In den Abschnitten 5cd und 5ef ist die Summe des magnetischen Widerstands näherungsweise R«. Damit wird R„ = 4R

•j so

Der magnetische Widerstand R ist üblicherweise das 10- bis 2Ofache von R_Q. Daher ergibt sich aus Gleichung (1) bei dieser Anordnung die Empfindlichkeit ~ :

Jj

AI> 2R
=- - - -^ARm = -°'⁰⁰³

Jj O O

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Im Gegensatz hierzu ist bei einer Ausführungsform der Erfindung ein Material mit hohem magnetischem Widerstand in solcher Weise vorgesehen, dass die Abschnitte 4ab und 4cd des Flusses durch Material mit hohem magnetischem Widerstand treten, wofür üblicherweise R = 200R ist. Ferner ist das Ferrit-Material derart ausgewählt, dass die geometrische Weglänge der Abschnitte 5ab, 5cd und 5ef näherungsweise Hull ist. Damit kann als oberer Wert: R_s = 0,01R_Q gesetzt werden. Wird R = 2OR angenommen, so ergibt sich unter Verwendung der Gleichung (1) für die Empfindlichkeit dieser Anordnung:

200R₀ ■ dR_m

_ - - (20R₀) (22OR₀) ·^ΔΕΐη ~ "⁰^⁰⁴⁵ R^

Damit kann unter Verwendung einer Kombination aus Werkstoffen mit hohem und mit niedrigem magnetischem Widerstand zur Konzentration des Flusses in dem zu prüfenden Material (beispielsweise indem R_O^B_1n^R_s gemacht wird), die Empfindlichkeit der erfindungsgemäss ausgeführten Fühler 15mal grosser, gemacht werden, als sie bei einem Fühler der gleichen Konstruktion gemäss US-PS 2 933 677 erzielbar ist. Da die kombinierte Verwendung von Materialien mit hohem und mit niedrigem magnetischen Widerstand es ermöglicht, die Formgebung des magnetischen Widerstandsvolumen zu steuern, so kann in der erfindungsgemäss en Anordnung durch Änderung auch der geometrischen Form sogar noch eine grössere Empfindlichkeit erzielt werden.

Die US-PS 3 626 344 zeigt einen Wirbelstromgenerator, welcher eine Induktionsspule aufweist, die einen Ferritkern mit mindestens einem Luftspalt besitzt, so dass ein elektromagnetischer Streufluss erzeugt wird, welcher auf das zu prüfende Material einwirkt. Ein hochleitender, nicht-magnetischer Einsatz ist innerhalb dieses Luftspalts angeordnet, so dass Wirbelströme auftreten, welche das magnetische Feld vom Schlitz nach aussen drängen und ein Streufeld mit scharfer

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Ausrichtung und wesentlich höherer Intensität erzeugen als es mit bisher verwendeten Wandlern möglich war. Als Werkstoff für den Einsatz eignen sich beispielsweise Kupfer und Silber.

Eine im Einklang mit der vorliegenden Erfindung aufgebaute Prüfvorrichtung unterscheidet sich von der Prüfvorrichtung gemäss US-PS 3 626 344 darin, dass sie kein nicht-magnetisches Material hoher Leitfähigkeit verwendet, um eine wesentlich grössere Richtwirkung oder wesentlich höhere Flussintensitäten zu erzielen. Die erfindungsgemässen Prüfgeräte verwenden ein Material mit hohem magnetischem Widerstand im Luftspalt, um den Anteil des magnetischen Parallelwiderstandes am magnetischen Widerstand der Spule zu beseitigen. In den Ausführungsbeispielen der Erfindung muss das Material mit hohem magnetischem Widerstand ein leitendes magnetisches Material sein, wie" beispielsweise eine M25Fe-Legierung und nicht ein nicht-magnetisches Material hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer oder Silber, was durch die geringen Abmessungen der hier in Frage kommenden Luftspalträume bedingt ist. Bei den erfindungsgemässen Prüfgeräten erzeugt das Material mit hohem magnetischem Widerstand nicht einen merklichen Anstieg der Streufeldintensität, noch wird dabei eine wesentliche schärfere Ri.chtwirkung erzielt, als sie ohne Material mit hohem magnetischem Widerstand erreicht wird. Darüberhinaus würde die Empfindlichkeit der erfindungsgemässen Prüfgeräte durch die zusätzliche Anordnung eines zweiten Luftspalts, wie er in den Ansprüchen und im Ausführungsbeispiel der US-PS 3 626 344 beschrieben ist,wesentlich verschlechtert.

Die erfindungsgemässen Wirbelstromgeneratoren sind im wesentlichen gekennzeichnet durch:

a. Mangan-Zink-Ferritwerkstoffe mit niedrigem magnetischem Widerstand, welche in solcher Weise angeordnet sind, dass im wesentlichen R_, der Reihenanteil zum magnetischen Widerstand der Erregerspule des Wirbelstromgenerators,eliminiert wird;

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beliebige andere Werkstoffe mit hoher magnetischer Durchlässigkeit können verwendet werden, vorausgesetzt • die elektromagnetische Eindringtiefe ist "bei Betriebsfrequenz viel grosser als die Flussweglänge durch das Material mit niedrigem magnetischem Widerstand,

b_# eine Ni25Fe-Legierung mit hohem magnetischen Widerstand ist derart eingesetzt, dass im wesentlichen R , der Anteil des magnetischen Parallelwiderstands zum magnetischen Widerstand der Erregerspule des Wirbelstromgenerators, eliminiert wird; "beliebige andere Werkstoffe können verwendet werden, vorausgesetzt, dass die elektromagnetische Eindringtiefe Taei der Betriebsfrequenz viel geringer ist als die Plussweglänge durch das Material mit hohem magnetischem Widerstand,

c. eine Erregerspule aus isoliertem Kupferdraht ist um einen Ferritkern mit niedrigem magnetischem Widerstand gewickelt; ein "beliebiger anderer Draht kann verwendet werden, vorausgesetzt, dass der Anteil am Widerstand der Spulenimpedanz als Folge des Drahtmaterials klein gegenüber dem die Induktivität bedingten Impedanzwert der Spule ist,

d. die Formgebung des Ferrits und die Anzahl der Spulenwindungen sind so bemessen, dass die gewünschte Empfindlichkeit, «.btastbreite und Induktivität erhalten werden,

Die besonderen Merkmale derartiger Generatoren sind:

1. Die "Verwendung einer Kombination von Werkstoffen mit hohem und niedrigem magnetischem Widerstand zur Konzentration des magnetischen Widerstands des Wirbelstromgenerators im Oberflächenbereich und dessen Umgebung des zu prüfenden Materials .

2. Die Verwendung einer Kombination aus Werkstoffen mit hohem und niedrigen magnetischen Widerstand zur Steuerung der Grosse und Form des wirksamen Widerstandsvolumens zwecks

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Erzielung der gewünschten Empfindlichkeit, Abtastbreite und Induktivität.

3. Die Verwendung von Werkstoffen mit hohem magnetischem Widerstand zwecks einer "beträchtlichen Verringerung der Wirkung des magnetischen Parallelwiderstands der Wirbelstromgeneratoren.

Begriffserklärungen

Elektromagnetische Eindringtiefe: Ein charakteristischer Werkstoffparameter, welcher bei beliebiger Betriebsfrequenz nur von der elektrischen Leitfähigkeit und magnetischen Durchlässigkeit des Materials abhängt.

Werkstoff mit hohem magnetischem Widerstand: Beispielsweise ein Material, welches eine elektromagnetische Eindringtiefe aufweist, die viel kleiner ist als die Länge des effektiven Plusspfads durch das Material.

Werkstoff mit niedrigem magnetischem Widerstand: Beispielsweise ein Material hoher Permeabilität und einer elektromagnetischen Eindringtiefe, die viel grosser ist als die Länge des effek- _N tiven Flusspfads durch das Material.

Magnetischer Parallelwiderstand R : Der effektive magnetische Widerstand, welcher den Fluss bestimmt, der nicht durch das zu prüfende Material tritt.

Magnetischer Reihenwiderstand R_: Der effektive für den Fluss vorhandene Widerstand während der Fluss ausserhalb des zu prüfenden Material verläuft, welcher jedoch schliesslich in das zu prüfende Material eintritt.

Magnetischer Widerstand R_m des Werkstoffs: Der effektive magnetische Widerstand für den magnetischen Fluss während er durch das zu prüfende Material durchtritt.

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Pehleranteil am magnetischen Materialwiderstand , R^: Der effektive magnetische Widerstand für den magnetischen Pltiss im zu prüfenden Material, welcher durch das Fehlervolumen hindruchtritt,

R*: Der effektive magnetische Widerstand für die Flusslinien, welche im zu prüfenden Werkstoff verlaufen, jedoch ausserharb des Fehlervolumsn liegen,

zlR^: Der Unterschied in R^ zwischen einem fehlerfreien Material und einem mit einem Fehler "behafteten Material.

Magnetisches Widerstandsvolumen: Das wirksame Volumen des zu prüfenden Materials, welches einen zu einem "beliebigen Zeitpunkt durch das Material hindurchtretenden Fluss aufweist.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Merkmale, welche die Empfindlichkeit des Fühlgeräts gemäss der US-PS 2 933 "bestimmen,

Fig. 2 eine Ansicht eines er findungs gemäss en Fühlgeräts, welches in Berührung mit einem zu prüfenden Material steht,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 einen Querschnitt im wesentlichen längs der Linie 4-4 der Fig. 1,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung im vergrösserten Massta"b eines Überlappungs"bereichs des Werkstoffs mit hohem magnetischem Widerstand,

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Pig. 6 eine der Fig. 3 ähnliche Ansicht, in welcher jedoch das Fühlgerät in engem Abstand mit der zu prüfenden Oberfläche angeordnet ist, wobei in der Abbildung typische Flusslinien und zugeordnete magnetische Widerstände eingetragen sind,

Fig. 7 eine der Fig. 3 ähnliche Darstellung einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung,

Fig, 8 eine den Fig. 3 und 7 ähnliche Darstellung einer zweiten abgeänderten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 eine Darstellung des Ferritkerns der Ausführungsform nach Fig. 8 im verkleinerten Masstab, und

Fig. 10 eine Darstellung eines Fühlgeräts gemäss den Fig. 8 und 9 im verkleinertem Masstab.

Gemäss Fig. 2 ist ein Fühler PE in Anlage au einem zu prüfenden Element N dargestellt. Der Fühler PE ist durch eine biegsame Leitung CE mit einer Stromversorgungs- und Anzeigeeinheit HT verbunden, die in üblicher Weise aufgebaut sein kann und keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet.

Gemäss Fig. 3 bis 6 besteht die erste Ausführungsform des Fühlers PE aus einem inneren Kern 10, aus einem Ferritmaterial mit niedrigem magnetischem Widerstand. Der Kern 10 weist einen oberen Abschnitt 12 mit einem grossen Durchmesser auf .und einen erheblich längeren unteren Abschnitt 14 mit verringertem Durchmesser. Der Kern 10 wird innerhalb eines ringförmigen Gehäuses 16 aufgenommen, welches ebenfalls aus einem Material mit niedrigem magnetischem Widerstand, beispielsweise einem Ferritmaterial, besteht. Das Gehäuse 16 weist einen konstanten Innendurchmesser uauf, welcher im wesentlichen dem Durchmesser des Kernabschnitts 12 entspricht. Zwischen dem Kernabschnitt 14 und dem äusseren Gehäuse 16 ist ein Eingraum vorhanden, in welchem eine Spule 18 aufge-

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nommen wird, die um den Ke mat schnitt 14- gewickelt ist. Eine geschlitzte ringförmige lage 20 aus einem Material mit hohem magnetischem Widerstand umgibt die Spule 18 und füllt im wesentlichen den Raum zwischen der Spule 18 und dem äusseren Gehäuse 16 aus. Die Spule 18 "besteht vorzugsweise aus Kupfer, welches mit einem Isolierüberzug 22 (Fig· 5) versehen ist. Das Material 20 mit hohem magnetischem Widerstand "besteht vorzugsweise aus einer ITi25Fe-Legierung. Die geschlitzte ringförmige Lage wird durch die Umhüllung eines Doms mit einem Material hergestellt, welches derart behandelt wurde, dass es von einer elektrisch nicht-leitenden Oberflächenschicht 24 (Fig. 5) umgeben ist.

Beispielsweise kann die Ni25Fe-Legierung vor ihrer Verformung auf dem Dorn über einer Flamme erhitzt werden; dadurch würde an beiden Flächen eine Oxidschicht gebildet werden, die als elektrische Isolierschicht dienen könnte.

Erfindungsgemäss ist zwischen den gegenüberliegenden Enden der Lage 20 eine Unterbrechung vorgesehen und diese Unterbrechung ist isoliert, so dass an der Unterbrechungsstelle der Stromfluss unterbrochen wird. In der Ausführungsform nach den Fig. 3 bis 6 erfolgt an der Stelle, wo die beiden Enden der Lage 20 zusammenkommen,eine geringfügige Überlappung. Der Isolierüberzug an der Lage 20 verhindert einen S-fcromfluss an der Überlappungsstelle.

In Fig. 6 ist schematisch die Wirkung der erfindungsgemässen Bauart auf die magnetischen Widerstände dargestellt. Die jeweiligen Widerstände wurden vorausgehend definiert, der Fehler ist mit 25 bezeichnet.

R₅ und R₁₁₁ liegen in Reihe und beide zusammen sind parallel zu R angeordnet. R^ setzt sich aus R* und R-, zusammen, die parallel zueinander angeordnet sind. Da die lfi25Fe-Legierung einen hohen magnetischen Widerstand aufweist, ist der Parallelfluss bei dieser Bauart im wesentlichen Hull.

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Zur weiteren Klarstellung des zwischen den jeweiligen magnetischen Widerständen bestehenden Beziehung ist nachfolgend ein Äquivalentereis dargestellt.

^RP

LAaJ

^Rs ^Rd

Die Abmessungen eines tatsächlich verwendeten Fühlerssgemäss der Fig. 3 bis 6 sind nachfolgend angegeben:

A 0,51 mm Durchmesser

B 0,735 mm Durchmesser

C 1,22 mm Durchmesser

D 0,127 bis 0,051 Abschirmungs

dicke

E 2,54 mm

F 1,27 mm

G 0,05 bis 0,102 mm

H 3,8 mm

Die Ausführungsform nach Fig. 7 ist ähnlich wie die Ausführungsform der Fig. 3 bis 6 ausgebildet, jedoch kann die Grosse des Luftspaltes beträchtlich kleiner sein, da sie nicht von den einschränkenden Raumbedingungen der Spule 18' abhängt. Bei der Ausführungsform der Fig-. 3 bis 6 wird gewöhnlich eine Spule 18 mit einer einzigen Wicklung verwendet und der Luftspalt D, G muss gross genug sein, um sowohl die Abschirmung 20 wie auch die Spule 18 aufzunehmen. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 7 ist der minimale Luftspalt D nur durch die Dicke begrenzt, die zur Erzielung eines hohen magnetischen Widerstands infolge der geschlitzten ringförmigen Lage 20' nötig ist. Es kann entweder eine Spule 18' mit einer einzigen Lage oder mit mehreren Lagen verwendet

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werden und die Spule ist in einer Ausnehmung angeordnet, die zwischen den !seiden Endabsehniften 12' und 13 des K_erns 10' gebildet -wird.

Beispielsweise Abmessungen für den in Pig. 7 dargestellten Wirbels tr omgenerat or sind nachfolgend angegeben:

A 0,71 "bis 0,61 mm Durchmesser

B 0,735 mm Durchmesser

C 1,22 mm Durchmesser

D 0,0127 Ms 0,051 mm Abschirmdicke

E 2,24- mm

P 1,27 mm

G keine Einschränkung

• H 3,8 mm

In den Pig. 8 his 10 ist eine Ausführungsform mit einem kastenartigen Kern 26 aus einem Perrit-Werkstoff mit niedrigem magnetischem Widerstand dargestellt. Eine isolierte Kupferspule 28 ist in Querrichtung um einen Seitenabschnitt 30 des Kerns 26 gewickelt. Der ITi25Pe-Y7erkstoff oder ein ähnliches Material ist als Platte 32 ausgebildet, welche gegen die Innenfläche der Gegenseite des Teils 34- des Kerns 26 anliegt. Die Platte 32 erstreckt sich durch den !Luftspalt G und füllt diesen aus, wobei der Luftspalt G zwischen dem Seitenabschnitt 34 und dem quadratischen unteren Endabschnitt 36 des Kerns 26 gebildet wird. Die unteren äusseren Abschnitte 38j 40 der Kernabschnitte 34, 36 sind an gegenüberliegenden Seiten des Materials 32 mit Ausnehmungen versehen, in welche Teflon-Stücke 42, 44 eingelegt sind, die einen Sitz für den Pühler bilden.

Die Ausführungsform gemäss der Pig. 8 bis 10 wird erhalten, indem zunächst die Spulenwicklung 18" um den Seitenwandabsehnitt 30 des Kernabschnitts 26 gelegt wird. Eine Lage aus •Material 32 mit hohem magnetischem Widerstand wird dann an der Innenfläche des gegenüberliegenden Seitenabschnitts 34

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aufgebracht. Die Anordnung, welche aus der Spule 18" den Ferrit-Abschnitten 30 und 34 und der Innenlage 32 besteht, wird durch eine Umhüllung 46 aus Material mit hohem magnetischem Widerstand zusammengehalten, durch welches in Verbindung mit der lage 32 im wesentlichen ein magnetischer Parallelwiderstand ausgeschaltet und die Steuerung des räumlichen Ausdehnung des Magnetflusses erleichtert wird. Die Materialien 32 und 46 mit hohem magnetischem Widerstand sind elektrisch mittels einer geeigneten isolierenden Umhüllung getrennt; diese Umhüllung kann beispielsweise aus einer nicht-leitenden klebenden Schicht oder einer oxidierten Oberflächenschicht bestehen.

Beispielsweise Grössenangaben für den gesteuerten Wirbelstromgenerator geniäss den Fig. 4 bis 6 sind nachfolgend angegeben:

Abmessung	Beispiel 1	Beispiel 2
A	A>5B	A>5B
B	B ar 2T	B as- 2T
C		rt /^/ φ
D	D oi W	*T) r·⁷ W**
G	(2+0,5) x 0,0254 mm	(4+1) x 0,025^ mm
L	1,9 mm	2,54 mm
T
	T > A/100	T>A/100
W	(3+1) x 0,0254 mm	(5+1) x 0,025** mm
X	' x >0,0254 mm	χ >0,0254 mm

Es ist offensichtlich, dass weitere Abänderungen der Erfindung möglich sind und diese werden im Rahmen der Ansprüche von dieser mitumfasst.

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Claims

955 _Λ or ,ης

Patentansprüche

1«; Wir~belstronigenerator zur Materialprüfung, gekennzeichnet durch-einen Kern aus einem Material mit niedrigem magnetischem Widerstand, eine um den Kern gewiegelte Spule aus isoliertem Draht hoher elektrischer Leitfähigkeit und eine Kombination von Materialien mit hohem magnetischem Widerstand und niedrigem magnetischem Widerstand, die neben der Spule angeordnet ist und die Wirkung hat, den magnetischen G-e samtwiderstand des magnetischen Kreises der Erregerspule in ein Volumen gesteuerter Grosse und Form innerhalb des zu prüfenden Materials zu konzentrieren.
2. Wirbelstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit hohem magnetischem Widerstand eine elektromagnetische Eindringtiefe "bei der Betriebsfrequenz aufweist, die wesentlich geringer als die Länge des !Plusspfads des hohen magnatischen Widerstands ist.
3. Wirbelstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit hohem magnetischem Widerstand aus einer ITi25Pe-Legierung "besteht.
4. Wir"belstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit hohem magnetischem Widerstand durch eine elektrisch isolierende Umhüllung elektrisch isoliert ist.
5. Wirbelstromgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung durch eine-, auf dem Material vorhandene Oxidschicht "besteht.
6. Wir"belstromgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung aus einer auf dem Material durch Klebstoff aufgebrachten Schicht besteht,

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7. Wirbe!stromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit hohem magnetischem ^T;,^riderstand die Spule umgibt und dass das Material mit niedrigem magnetischem Widerstand das Material mit hohem magnetischen Widerstand umgibt.
8. Wirbelstromgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit hohem magnetischem Widerstand aus einer Lage besteht, die auf ihrer einen Seite oder auf ihren beiden Seiten isoliert ist und die um die Spule gewickelt ist.
9. Wirbelstromgenerator nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine in jenem Bereich angeordnete Isolierung, in welchem die gegenüberliegenden Enden der genannten Lage zusammenkommen, so dass ein Stromfluss durch das Material mit hohem magnetischem Widerstand in diesem Bereich unterbrochen wird.
10. Wirbelstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern einen Endabschnitt aufweist, welcher einen linearen Spalt bildet, wobei das Material mit hohem magnetischem Widerstand in flächenhafter Form vorliegt und sich im wesentlichen über die gesamte Länge der Spule erstreckt und den Spalt einnimmt.

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