DE2604498A1 - Verfahren und vorrichtung zur wirbelstrom-werkstoffpruefung - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

HENKEL, KERN, FEILER & HÄNZEL

BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UND

TELEX: 05 29 802 HNKL D EDU ARD-SCHMID-STR A.SSE ^Λ WECHSELBANKMONCHIiNNi UH-H51H

TFrFFON- rnR9i ΛΛ1197 ΛΛ W QI 92 · . - DRESDNER BANK MÜNCHEN 3 9H 97*> TELEFON. (089) 66 3197, 663091 92 D-SOOO MÜNCHEN 90 POSTSCHECK: MÜNCHFN 162147 ■ WW TELEGRAMME: ELLIPSOID MÜNCHEN

Nippon Kokan Kabushiki Kaisha
Tokio, Japan

UNSER ZEICHEN: MlNtHHN. DiN

BETRIFFT:

Verfahren und Vorrichtung zur Wirbelstrom-WerkstoffprUfung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Werkstoffprüfung mittels Wirbelstroms ohne Verwendung einer Impedanzbrückens chaltung _o

Für die zerstörungsfreie Feststellung von Materialfehlern in einem leitfähigen Prüfobjekt wird verbreitet ein Wirbelstrom-Werkstoffprüfverfahren unter Verwendung einer Impedanzbrückenschaltung angewandt«, Dieses Verfahren arbeitet nach folgendem Prinzip: An ein Prüfobjekt wird ein bestimmtes Wechselstrom-Magnetfeld angelegt, um im Prüfobjekt einen Wirbelstrom zu erzeugen, der entsprechend der Größe und Form des Prüfobjekts sowie der in diesem vorhandenen Materialfehlervariiert. Hiermit kann in zerstörungsfreier Weise ein im Prüfobjekt vorhandener Materialfehler festgestellt werden, indem eine durch den Materialfehler des Prüfobjekts hervorgerufene Änderung des Wirbelstroms selektiv gemessen wird»

Nachstehend sind das oben umrissene, bisher angewandte Verfahren und eine Vorrichtung zur Wirbelstrom-Werkstoffprüfung

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mittels einer Impedanzbrückenschaltung anhand von Fig_o 1 näher erläutert, in welcher ein Prüfobjekt 1, eine elektrische Hochfrequenz-Stromversorgung 2, die einer noch zu beschreibenden Impedanzbrückenschaltung eine Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz und Amplitude aufprägt, und eine Impedanzbrückenschaltung 3 dargestellt sind, die Werkstoff-Prüfspulen C₁ und C₂ sowie variable Impedanzen Z₁ und Z₂ aufweist und die durch die Wechselspannung der Hochfrequenz-Stromversorgung 2 erregt wird₀ Weiterhin sind ein Schmalbandverstärker 4 zur Verstärkung der Ausgangsspannung der Impedanzbrückenschaltung 3, ein Synchronphasenregler 5, der selektiv eine Ausgangsspannung mit einer bestimmten Phase aus den durch den Schmalbandverstärker 4 verstärkten Ausgangsspannungen der Impedanzbrückenschaltung 3 abnimmt, ein Phasenschieber 6 zur Einstellung der Phase der Ausgangsspannung der Stromversorgung 2, wobei die dabei erhaltene Ausgangsspannung als Bezugsspannung für den Synchronphasenregler benutzt wird, und ein im Prüfling 1 vorhandener Materialfehler 7 dargestellt«

Bei der vorstehend beschriebenen, bisher verwendeten Wirbelstrom-Werkstoffprüfvorrichtung wird der im Prüfling 1 vorhandene Materialfehler 7 wie folgt festgestellt: Zunächst wird eine Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz und einer bestimmten Amplitude von der Hochfrequenz-Stromversorgung 2 an die Impedanzbrückenschaltung 3 angelegt. Hierauf wird der Prüfling 1 in die Meßspulen C₁ und C₂ der Meßbrücke 3 eingeführt, und letztere wird durch Einstellung der variablen Impedanzen Z₁ und Z₂ abgeglichen. Wenn die Meßbrücke 3 abgeglichen ist, ist ihre Ausgangsspannung gleich Null. In diesem Zustand wird der Prüfling 1 in Richtung des Pfeils gemäß Fig. 1 verschobene Durch die Bewegung des im Prüfling 1 vorhandenen Materialfehlers 7 durch die Meßspulen C₁ und C₂ hindurch gelangt die Meßbrücke 3 in ünabgleich, was die Erzeugung einer dem Materialfehler 7 entsprechenden Unabgleichspannung an der Ausgangsklemme zur Folge hat, wobei diese Unabgleich-

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spannung ein Fehlersignal darstellt, das durch den Schmalbandverstärker 4 auf einen Objektwert (target value) (von etwa 100-bis 1000-facher Größe) verstärkt und dann dem Synchronphasenregler 5 aufgeprägt wird. Gleichzeitig wird die Ausgangsspannung der Stromversorgung 2 nach einer Phasenverschiebung durch den Phasenschieber 6 dem Phasenregler 5 als Bezugsspannung für diesen aufgeprägt, so daß eine zufriedenstellende Feststellung bzw«. Messung des dem Materialfehler 7 im Prüfling 1 entsprechenden Fehlersignals möglich wird_e Das auf diese Weise am Synchronphasenregler 5 erhaltene Fehlersignal wird durch ein nicht dargestelltes Anzeige- oder Aufzeichnungs· gerät gemessen, um den im Prüfling 1 vorhandenen Materialfehler 7 festzustellen,,

Dem vorstehend umrissenen Verfahren und der bisher verwendeten Vorrichtungen für die Wirbelstrom-Werkstoffprüfung haften die folgenden Mängel an:

1, Wenn der Schwingungsausgang der Hochfrequenz-Stromversorgung 2 eine höhere harmonische Komponente enthält, verursacht er eine Sättigung des Verstärkungsgrads in der Endstufe des Schmalbandverstärkers 4, die eine geringere Meßgenauigkeit der Wirbelstrom-Werkstoffprüfvorrichtung und eine geringere Linearität des dem Materialfehler 7 entsprechenden Fehlersignals zur Folge hat«

2β Aufgrund der temperaturabhängigen und säkularen Änderungseigenschaften der Schaltungselemente, wie des Regelwiderstands und dea Kondensators, welche die Impedanzmeßbrücke 3 bilden, kann eine andere Ursache als ein Materialfehler im Prüfling zu einem Unabgleich der Meßbrücke 3 führen, wodurch eine unabgeglichene Spannung auftritt, welche die Meßgenauigkeit beeinträchtigt«

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3. Der Schaltungsaufbau der Wirbelstrom-Werkstoff prüfvorrichtung ist sehr kompliziert, und er läßt keine einfache Einstellung bzw. Justierung und Wartung zu_o

4. Für die Beseitigung einer höheren harmonischen Komponente ist ein Schmalbandverstärker erforderlich, wodurch die Genauigkeit der Werkstoffprüfung ebenfalls verschlechtert wird β

5· Die durch die Meßspulen Cj und Q^ bewirkte Umwandlung in ein elektrisches Signal entsprechend einer Impedanzänderung erfolgt in einem festen Verhältnis·

6ο Die Hochfrequenz*#Stromversorgung 2 muß dabei mit einem Leistungsverstärker für die nMrige Ausgangsimpedanz versehen sein*

Im Hinblick auf diese Mangel des bekannten Verfahrens und der bekannten Vorrichtung für die Wirbelstrom-Werkstoffprüfung besteht ein Bedarf für ein entsprechendes Verfahren nebst einer entsprechenden Vorrichtung, deren Meßgenauigkeit kaum durch temperaturabhängige und säkulare Änderungscharakteristika der Schaltungselemente beeinflußbar sind, wobei die Vorrichtung einen einfachen Schaltungsaufbau besitzt, der eine leichte Justierung und Wartung ermöglichte Bisher wurden jedoch noch kein Verfahren und keine Vorrichtung dieser Art vorgeschlagene

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung für die Wirbelstrom-Werkstoffprüfung, wobei Prüf- oder Meßgenauigkeit kaum durch temperaturabhängige und säkulare Änderungscharakteristika der Schaltungselemente beeinflußbar sein und die Vorrichtung einen einfachen Schaltungsaufbau besitzen soll, der eine einfache Einstellung bzw_o Justierung und Wartung ermöglicht·

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Insbesondere soll bei diesem Verfahren und dieser Vorrichtung die Verwendung einer Impedanzbrückenschaltung in Fortfall kommene

Die genannte Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Wirbelstrom-Werkstoffprüfung, bei dem ein Wirbelstrom in einem Prüfwerkstoff bzw. Prüfling durch das Wechselstrom-Magnetfeld von Fehler-Meßspulen erzeugt wird, ein dem Materialfehler im Prüfling entsprechendes Fehlersignal durch Verstärkung und Feststellung oder Messung einer Impedanzänderung der Meßspulen entsprechend einer durch den im Prüfling vorhandenen Materialfehler hervorgerufenen Änderung des Wirbelstroms abgenommen wird und das Fehlersignal gemessen wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Rückkopplungskreis aus einem Rückkopplungsverstärker mit den Meßspulen gebildet wird, daß im Prüfling ein Wirbelstrom durch das Wechselstrom-Magnetfeld der Meßspulen erzeugt wird, daß eine Impedanzänderung der Meßspulen entsprechend der durch den im Prüfling vorhandenen Materialfehler verursachten Änderung des Wirbelstroms in einen Verstärkungsgrad des RückkopplungsVerstärkers umgewandelt wird und daß die auf diese Weise vom Rückkopplungsverstärker gelieferte Ausgangsspannung gemessen bzw· festgestellt wird, um ein dem im Prüfling vorhandenen Materialfehler entsprechendes Fehlersignal abzugreifen»

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Grundprinzips eines Verfahrens und einer Vorrichtung für die Wirbelstrom-Werkstoffprüfung unter Verwendung einer Impedanzbrükkenschaltung nach dem Stand der Technik und

Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen zur Erläuterung des

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Grundprinzips eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Wirbelstrom-Werkstoffprüfung gemäß der Erfindung.

Erfindungsgemäß wird ein Fehlersignal durch Bildung eines Rückkopplungskreises eines Rückkopplungsverstärkers, ohne Verwendung einer herkömmlichen Impedanzbrückenschaltung mit der Impedanz von Fehler-Meßspulen festgestellt bzw. gemessen, wobei eine durch einen im Prüfling vorhandenen Fehler bewirkte Änderung der Impedanz der Meßspulen in einen Verstärkungsgrad des Rückkopplungsverstärkers umgewandelt und die auf diese Weise erhaltene Ausgangsspannung des Rückkopplungsverstärkers gemessen wird.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Fig„ 2 und 3 näher erläutert.

Fig. 2 veranschaulicht das Grundprinzip eines Verfahrens und einer Vorrichtung für die Wirbelstrom-Werkstoffprüfung gemäß der Erfindung,, Fig. 2 zeigt einen Prüfling bzw. ein Prüfobjekt 1, eine elektrische Hochfrequenz-Stromquelle 2, die einem noch zu beschreibenden Rückkopplungsverstärker eine Wechselspannung einer bestimmten Frequenz und Amplitude aufprägt, einen Synchronphasenregler 5, der selektiv eine Ausgangsspannung mit einer bestimmten Phase aus den durch den Rückkopplungsverstärker verstärkten Ausgangsspannungen abnimmt, einen Phasenschieber 6 zur Einstellung der Phase der Ausgangsspannung der Stromversorgung 2, wobei die dabei erhaltene Ausgangsspannung als Bezugsspannung für den Synchronphasenregler benutzt wird, einen im Prüfling 1 vorhandenen Materialfehler 7 und einen Rückkopplungsverstärker 8, dessen Rückkopplungskreis mit Fehler-Meßspulen C1 und C2 versehen ist.

Bei der oben beschriebenen Wirbelstrom-Werkstoffprüfvorrichtung wird der Prüfling 1 durch die Meßspulen C1 und C2 hin-

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durchgeführt, und eine Wechselspannung mit bestimmter Frequenz und Amplitude wird von der Stromversorgung 2 her an den Rückkopplungsverstärker 8 angelegt. Die Ausgangsspannung dieses Verstärkers 8 wird über die Meßspulen C1 und C2 an die Eingangsseite rückgekoppelte Infolgedessen erzeugen die Meßspulen C1 und C2 ein Wechselstrom-Magnetfeld, durch welches im Prüfling 1 ein Wirbelstrom erzeugt wird, aufgrund dessen eine Änderung der Impedanz der Meßspulen C1 und C2 auftritt,,

Unter der Voraussetzung, daß die Meßspulen C1 und C2 die Impedanzen Z-z bzwo Z^ besitzen, läßt sich der Verstärkungsgrad A des Rückkopplungsverstärkers 8 wie folgt ausdrücken:

A= ^G ■-- ^G

1 - Gß

3 ^{+ Z}4 '

worin G = den Verstärkungsgrad vor der Rückkopplung und

ß = das Rückkopplungsverhältnis
bedeuten»

Wenn der in dem sich in Richtung des Pfeils gemäß Fig. 2 bewegenden Prüfling 1 vorhandene Materialfehler 7 die Meßspulen C1 und C2 durchläuft, ändern sich die Impedanzen Z, und Z^ der Meßspulen C1 bzw· C2 infolge der durch den Materialfehler 7 verursachten Änderung des Wirbelstroms in Z* + &Z* bzw· Δ^Ζ4 ⁺ Δ^ζ4^{β Da ein} Zeitunterschied zwischen den Augenblicken besteht, in denen der Materialfehler 7 die Meßspulen C1 und C2 durchläuft, ist auch ein Zeit-unterschied zwischen den Augen« blicken vorhanden, in denen sich die Impedanzen der Spulen C1 und C2 auf beschriebene Weise ändern» Das Rückkopplungsver« hältnis ß ändert sich entsprechend, was zu einer Änderung des Verstärkungsgrads A des RückkopplungsVerstärkers 8 führt. Da die Eingangsspannung des Rückkopplungsverstärkers 8 konstant

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ist, erscheint an der Ausgangsklemme dieses Verstärkers 8 eine dem Verstärkungsgrad proportionale Ausgangsspannung, wenn sich der Verstärkungsgrad A änderte Diese Ausgangsspannung wird dem Synchronphasenregler 5 aufgeprägte Andererseits wird die Ausgangsspannung der Hochfrequenz-Stromversorgung 2 nach der Phasenverschiebung durch den Phasenschieber 6 dem Synchronphasenregler 5 als dessen Bezugsspannung eingespeist, wodurch eine zufriedenstellende bzw, einwandfreie Feststellung oder Messung eines dem Materialfehler 7 des Prüflings 1 entsprechenden Fehlersignals ermöglicht wird. Der Materialfehler 7 des Prüflings wird somit durch Messung der Ausgangsspannung des Synchronphasenreglers 5 mittels eines nicht dargestellten Anzeige- oder Aufzeichnungsgeräts gemessen bzw„ bestimmt₀

Bei der beschriebenen Ausführungsform werden Durchlauf-Meßspulen C1 und C2 verwendet, doch können gemäß Fig, 3 auch sondenartige Meßspulen C1 · und C2¹ verwendet werden. Die anderen Teile von Fig. 3 brauchen nicht näher erläutert zu werden, weil sie den Teilen von Fig. 2 entsprechen,. Beim beschriebenen Beispiel wird die Ausgangsspannung des Rückkopplungsverstärkers 8 durch einen Synchronphasenregler 5 gemessen bzw«, festgestellt, und die Ausgangsspannung des Rückkopplungsverstärkers 8 wird dabei niemals zu NuIl₀ Infolgedessen kann eine Phasenanalyse mit einem Amplitudengleichrichter anstelle des Synchronphasenreglers 5, wie beim herkömmlichen Meßbrücken-Unabgleichverfahren, durchgeführt werden, wobei mit dem Amplitudengleichrichter der gleiche Effekt wie mit einem Synchronphasenregler erzielt werden kann, indem die Meßbrücke in Abhängigkeit von der Amplitude und der Phase des Fehlersignals in Unabgleich gebracht wird.

Die Erfindung bietet also die folgenden industriellen Vorteile:

1· Der Schaltungsaufbau ist wesentlich einfacher als bei den bisher verwendeten Wirbelstrom-Werkstoffprüfvorrichtungen,

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so daß sich nicht nur niedrigere Installationskosten für die Werkstoffprüfvorrichtungen ergeben, sondern auch einfache Justierung und Wartung gewährleistet werden.

2. Die Impedanzänderung der Fehler-Meßspulen kann in einen willkürlich gewählten Verstärkungsgrad umgewandelt werden₀

3β Die Möglichkeit der Verwendung eines Breitbandverstärkers verbessert die Frequenz- und Phasencharakteristik und mithin die säkularen Änderungseigenschaften der Schaltung.

Die Änderung der Fehlermeß- bzw«, Werkstoffprüffrequenz ist einfacher. Dies bedeutet, daß ein Materialfehler bei jeder beliebigen Frequenz festgestellt werden kann₀

5· Es ist nicht nötig, eine elektrische Hochfrequenz-Stromversorgung mit einem Leistungsverstärker vorzusehen.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1.) Verfahren zur Wirbelstrom-Werkstoffprüfung, bei dem ein Wirbelstrom in einem Prüfwerkstoff bzw. Prüfling durch das Wechselstrom-Magnetfeld von Fehler-Meßspulen erzeugt wird, ein dem Materialfehler im Prüfling entsprechendes Fehlersignal durch Verstärkung und Feststellung oder Messung einer Impedanzänderung der Meßspulen entsprechend einer durch den im Prüfling vorhandenen Materialfehler hervorgerufenen Änderung des Wirbelstroms abgenommen wird und das Fehlersignal gemessen wird, dadurch gekennzeich· net, daß ein Rückkopplungskreis aus einem Rückkopplungsverstärker mit den Meßspulen gebildet wird, daß im Prüfling ein Wirbelstrom durch das Wechselstrom-Magnetfeld der Meßspulen erzeugt wird, daß eine Impedanzänderung der Meßspulen entsprechendder durch den im Prüfling vorhandenen Materialfehler verursachten Änderung des Wirbelstroms in einen Verstärkungsgrad des Rückkopplungsverstärkers umgewandelt wird und daß die auf diese Weise vom Rückkopplungsverstärker gelieferte Ausgangsspannung gemessen bzw_o festgestellt wird, um ein dem im Prüfling vorhandenen Materialfehler entsprechendes Fehlersignal abzugreifen·

   2ο Wirbelstrom-Werkstoffprüfvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Fehler-Meßspulen (C1, C2) zur Erzeugung eines Wirbelstroms in einem Prüfling (1), wobei sich die Impedanz der Meßspulen in Abhängigkeit von der durch einen Materialfehler (7) im Prüfling verursachten Wirbelstromänderung ändert, durch einen Rückkopplungsverstärker (8), der mit den Meßspulen einen Rückkopplungskreis bildet und welcher die der Änderung des Wirbelstroms entsprechende Impedanzänderung der Meßspulen in einen Verstärkungsgrad umwandelt, durch einen Detektor (5) zur Feststellung oder Messung der Aus-

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   gangsspannung des Rückkopplungsverstärkers und durch eine elektrische Hochfrequenz-Stromversorgung (2) zur Anlegung einer Wechselspannung an den Rückkopplungsverstärker (8)·

   3ο Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ein Synchronphasenregler (5) ist.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ein Amplitudengleichrichter ist.

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