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Verfahren zur Bestimmung von Risstiefen
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an metallischen Werkstücken Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Bestimmung von Risstiefen an einem metallischen Werkstück beliebigen Materials
mittels Durchleiten eines elektrischen Wechselstromes vorgegebener Stärke quer zum
Riss durch das Werkstück und Ausmessen der sich zwischen zwei Oberflächenpunkten
vorgegebenen Abstandes über dem Riss einstellenden Potentialdifferenz.
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Ein solches, als Potential-Sonden-Verfahren mit Wechselstrom bezeichnetes
Verfahren zur Risstiefenmessung ist bekannt.
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Entsprechende Messgeräte sind z.B. unter der Bezeichnung RMG 4001
im Handel. Es wird dabei die Tatsache ausgenutzt, dass beim Durchleiten eines elektrischen
Stroms durch ein metallisches Werkstück quer zur Rissrichtung über dem Riss ein
Potentialsprung auftritt, der mit Messelektroden abgetastet und dessen
Grösse
in Beziehung zur Risstiefe gesetzt werden kann.
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Bei dem Verfahren werden mit konstantem Strom und konstanter Frequenz
des Wechselstroms an einem Eichwerkstück mit Rissen bekannter Tiefe die Potentialsprünge
an den Rissen aufgenommen und die hiermit gewonnene Risstiefenfunktion wird als
Eichung auf eine nach dem Verfahren arbeitende Messvorrichtung übertragen. Das Verfahren
hat den Nachteil, dass eine starke Abhängigkeit der Risstiefenfunktion von der Art
des Werkstoffes besteht, sobald dieser nicht dem Werkstoff des Eichstückes entspricht.
Dieser Nachteil macht sich besonders bei ferromagnetischen Werkstoffen bemerkbar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das mit
Wechselstrom arbeitende Verfahren derart auszugestalten, dass für alle Materialien
die gleiche Risstiefenfunktion gilt und damit Werkstoffunabhängigkeit erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Frequenz
des Wechselstroms so eingestellt wird, dass sich in einem rissfreien Bereich des
Werkstücks die gleiche Potentialdifferenz ergibt, wie sie bei im übrigen gleichen
Messparametern an einem Probewerkstück vorgegebenen Materials an rissfreier Stelle
ermittelt wurde.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass nur dann bei allen
Werkstoffen mit dem Wechselstromverfahren gleiche Risstiefenfunktionen erzielt werden
können, wenn gleiche Durchströmungsverhältnisse geschaffen werden. Die Art der Durchströmung
ist aber von der Stromverdrängung abhängig und diese ist wesentlich durch das Produkt
von Leitfähigkeit, Permeabilität und Frequenz bestimmt. Da Leitfähigkeit und Permeabilität
nicht beeinflussbare Werkstoffeigenschaften sind, wird durch Einstellung der Frequenz
auf einen dem zu
messenden Werkstoff entsprechenden Wert das Produkt
aus diesen drei Grössen konstant gehalten. Zu diesem Zweck wird für einen Bezugswerkstoff,
etwa einen in der Technik häufig benutzten Kohlenstoffstahl, in der bereits beschriebenen
Weise bei einer bestimmten Frequenz f eine 0 Risstiefenfunktion aufgenommen. Hierbei
wird auch eine Bezugsspannurg U an einer rissfreien Stelle zwischen den 0 Sonden
vorgegebenen Abstandes ermittelt. Bei einem Werkstoff von gegenüber dem Bezugswerkstoff
anderen Werten von Leitfähigkeit und Permeabilität zeigt sich unter sonst gleichen
Messparametern, zu denen Stromstärke und Messelektrodenabstand gehören, eine andere
Bezugsspannung U1 zwischen den Messelektroden an rissfreier Stelle. Erfindungsgemäss
wird die Frequenz des Wechselstroms bei im übrigen unveränderten Messparametern
so geändert, dass U1 = UO wird. Für die so eingestellte Frequenz fl gilt nun ebenfalls
die am Bezugswerkstoff aufgenommene Risstiefenfunktion.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens ist ein Wechselstromgenerator erforderlich,
der bei konstanter Stromstärke in der Frequenz veränderlich ist, vorzugsweise im
Bereich zwischen 100 Hz und 10 kHz. Die Sondenspannung wird über einen frequenzabhängigen
Verstärker einem in seiner Empfindlichkeit regelbaren Anzeigeinstrument analoger
oder digitaler Art zugeführt, das nach der Risstiefenfunktion des Bezugswerkstoffes
geeicht ist. Zweckmässig ist an dem Instrument ein der Bezuassannung Uo entsprechender
Messwert besonders gekennzeichnet. Vor Bestimmung der Risstiefe des Werkstückes
ist dann die Frequenz so zu ändern, dass sich an rissfreier Stelle dieser Messwert
ergibt.
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Mit diesem Verfahren und der dazu verwendeten Vorrichtung ist es zugleich
möglich, aus der bei der Frequenz fo an rissfreier Stelle ermittelten Potentialdifferenz
U1 eine Aussage
über die Art des Werkstoffes des vorliegenden Werkstücks
zu erhalten.
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Bei Messungen mit Wechselstrom in der beschriebenen Art können Störungen
auftreten, die durch Induktionswirkungen des Wechselstroms auf den Messkreis hervorgerufen
werden. Es treten Störspannungen auf, die die Grösse der Messspannungen erreichen
können, auch wenn die Leitungen, die der Stromzuführung und der Potentialabtastung
dienen, gegen Störfelder abgeschirmt sind. Es bleibt die Induktionsspannung, die
von den Stromelektroden auf die Spannungselektroden ausgeübt wird.
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In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass zur
Kompensation dieser Induktionsspannung eine Spannung gleicher Frequenz wie die des
Wechselstroms galvanisch-oder induktiv in den Messkreis eingekoppelt wird, die in
Amplitude und Phase so eingestellt wird, dass sie die Wirkungen der erwähnten Induktionsspannung
aufhebt. Die Kompensationsspannung wird zweckmässigerweise dadurch ermittelt, dass
die Messelektroden durch eine dünne Metallfolie kurzgeschlossen werden, die gegen
das darunterliegende Werkstück elektrisch isoliert ist und von den Stromzuführungselektroden
nicht berührt wird. Amplitude und Phasenlage der Kompensationsspannung werden so
eingestellt, dass am Anzeigeinstrument kein Ausschlag entsteht. Nach Entfernung
von Kurzschlussfolie und Isolierung und Aufsetzen der Messelektroden auf das Werkstück
kann die Risstiefe fehlerfrei gemessen werden.
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Die letztbeschriebene Vorrichtung ist in ihrem Prinzipaufbau in der
Zeichnung dargestellt. Zwei Stromzufhrungselektroden 1 und 2, die zu beiden Seiten
eines Risses 3 auf das Werkstück 4 aufgesetzt sind, sind mit einem Wechselstromgenerator
5 veränderbarer Frequenz verbunden. Die beider. Messelektroden 6 und 7 sind an ein
Messinstrument 8 angeschlossen. Zur Einkopplung
der Kompensationsspannung
befindet sich in der Zuführung zum Messinstrument die Sekundrspule eines übertragers
9, dessen Primärspule über einen Amplitudenregler 10 und Phasenschieber 11 mit dem
Wechselstromgenerator 5 verbunden ist. An die Stelle des übertragers kann auch ein
ohmscher Widerstand gesetzt werden, dessen Enden die Kompersationsspannung zugeführt
wird.
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Während der Durchführung der Kompensation sind die beiden Messelektroden
6 und 7 durch eine elektrisch leitende Folie 12 kurzgeschlossen, die gegen das Werkstück
4 durch eine Isolierfolie 13 elektrisch isoliert ist. Am Amplitudenregler 10 und
Phasenschieber 11 wird die Kompensationsspannung so eingeregelt, dass das Messinstrument
8 keinen Ausschlag zeigt.
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Danach werden der der Kurzschlussstreifen 12 und die Isolierfolie
13 entfernt und die Messelektroden 6 und 7 direkt auf das Werkstück 4 ausgesetzt,
sc dass die Risstiefe fenlerfrei bestimmt werden kann.
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Ansprüche: