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Nadel-Sonde für zerstörungsfreie Metallprüfung
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Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ein Gerät für zerstörungsfreie
Metaliprüfung und insbesondere auf eine Nadel-Sonde für zerstörungsfreie Metallprüfung,
die zur Verwendung in dem Prüfgerät zum Ermitteln der Dicke des zu untersuchenden
Materials und zum Ermitteln von Fehlern in dem Material geeignet ist.
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Bisher sind verschiedene Arten von Verfahren von Geräten für die
zcrstllrungsfreie Metallprüfung untersucht worden. Diese herköntlichen Verfahren
können eingeteilt werden in das Verfahren der Röntgen-Prüfung , in das Ultraschall-Verfahren
und
in das magnetische Verfahren für die Ermittlung von Materialfehlern. Ferner wird
das magnetische Verfahren für die Ermittlung von Materialfehlern unterteilt in ein
Verfahren zur Prüfung mit magnetisiertem Pulver, das auf das Metall aufgesprühtes
magnetisiertes Eisenpulver verwendet, und in ein Verfahren zur Prüfung mit Wirbelstrom,
der ein wechselndes Magnetfeld im Metall induziert. Insbesondere erfordert das herkömmliche
Gerät für die Prüfung auf Metallfehler mittels Wirbelstrom eine starke Magnetisierungsvorrichtung
mit großen Ausmaßen, so daß die Handhabung des FehlerprUfungsgerätes,und die Durchführung
der Messung aufwendig und unökonomisch sind. Ferner ist das Material, das mittels
des Wirbelstrom-Gerätes geprüft werden soll, auf Produkte aus nichtmagnetischem
Material eingeschränkt.
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Für den Fall, daß das Verfahren und das Gerät für die Prüfung auf
Metallfehler mittels Wirbelstrom für ein ferromagnetisches Erzeugnis, beispielsweise
für eine Stahlplatte oder für eine Stahlröhre, verwendet werden, ist es möglich,
daß eine Ausbreitung von Spannung und Dehnung und von Magnetismus entlang der Oberfläche
des Erzeugnisses geschaffen werden, so daß das Material des Erzeugnisses vollständig
magnetisiert werden muß, um das Erzeugnis wirksam und genau
zu prüfen.
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D. h., daß es für das Eindringen des wechselnden Magnetfeldes in
einen inneren Bereich des zu untersuchenden ferromagnetischen Materials notwendig
ist, ein gestörtes Magnetfeld im Material vollständig zu magnetisieren oder die
Molekeule im Material wirksam zu ordnen, indem ein starker Gleichstrom-Magnetismus
in das Material eingebracht wird.
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Die Erfindung löst die der herkömmlichen Technik anhaftenden oben
erwähnten Probleme, indem sie eine Vorrichtung schafft, die entwickelt worden ist,
um die Dicke des Gegenstandes zu ermitteln und jegliche Fehler im Material des Gegenstandes
festzustellen. Die Nadel-Sonde für zerstörungsfreie Metallprüfung, die für die wirksame
Verwendung im herkömmlichen Metallprüfgerät geeignet ist, wird in zwei Typen unterteilt,
den Absolut-Typ zum Ermitteln der Dicke des Metalls und den Differential-Typ zum
Feststellen von Fehlern im Metall.
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Im einzelnen besitzt die erfindungsgemäße Nadel-Sonde fur zerstörungsfreie
Metallpruung einen oder mehrere Prüfkerne von jeweils einer dünnen Nadel mit einem
angespitzten Ende, eine Mehrzahl von Anregungskernen von jeweils dünnen Nadeln,
die mit angespitzten Enden versehen und um die Prüfkernnadel
angeordnet
sind, einen ersten Leiter, der um die Prüfkernnadel gewickelt ist und der an eine
Wechselstromquelle angeschlossen werden kann, um Wirlelströme in das zu prüfende
Teil zu induzieren, ein oder mehrere zweite Leiter, die um die äußeren Seiten der
Anregungsnadeln gewickelt sind und jeweils zum Anschluß an eine Gleichstroquelle
geeignet sind, um das zu prüfende Teil zu magnetisieren, ein oder mehrere zylindrische
oder rdhrenförmige Elemente mit einem mittleren Durchgangs loch und eine Mehrzahl
von Umfangsnuten, die in Richtung zum mittleren Loch vertieft sind.
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Gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausftlhrungsbeispiel besitzt
die Nadel-Sonde für Metallprüfung eine Prüfkernnadel um die ein erste Leiter gewickelt
ist, einen ersten Satz von Anregungsnadelkernen mit einem zweiten Leiter, der uM
die äußeren Seiten der Nadeln gewickelt ist, einen zweiten Satz von Anregungsnadelkernen
mit einem weiteren zweiten Leiter, der um die äußeren Seiten der Nadeln gewickelt
ist, ein inneres röhrenförmiges Element für den zweiten Satz von Nadeln, das um
das erste röhrenförmige Halteelement - angebracht werden kann.
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Das erste Ausführungsbeispiel wird als Absolut-Typ bezeichnet; es
wird hauptsächlich zum Ermitteln der Dicke von Stahlplatten und der Wandstärke von
Stahlrohren verwendet.
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Gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel besitzt
die Nadel-Sonde für Metallprüfung mindestens ein Paar von Prüfnadelkernen mit jeweils
einem ersten Leiter, der um jede einzelne Nadel gewickelt ist, einen Satz von Anregungsnadelkernen
mit einem zweiten Leiter, der um die äußeren Seiten der Anregungsnadeln gewickelt
ist und einen Kernhalter mit beispielsweise elliptischem Querschnitt, der den Satz
von Anregungsnadelkernen und das Paar der Prüfnadelkerne trägt.
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Das zweite Ausführungsbeispiel wird als Differntial-Typ bezeichnet;
es wird hauptsächlich zum Nachweis von Materialfehlern in Stahl oder in einem ferromagnetischen
Stoff verwendet.
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Man erkennt aus der vorstehenden Beschreibung, daß bei Verwendung
des erfindungsgemäßen Metallprüfgeräts keine Hochspannungsquelle und kein großes
elektrisches Gerät erforderlich sind und daß das Eindringvermögen des von diesen
Nadelkernen ausgehenden Flusses groß ist, so daß sogar bei erheblichem Abstand zwischen
der Prüf sonde des Prüfgeräts und dem zu prüfenden Gegenstand das Ziel den Gegenstand
zu prüfen
vollständig erreicht werden kann. Folglich kann auch
bei Erwärmung des Gegenstandes auf hohe Temperaturen, um das gestörte magnetische
Feld im Inneren des Materials zu ordnen, der Vorgang nicht auftreten, daß das Prüfgerät
infolge der hohen Temperatur beschädigt wird oder das Bedienungspersonal Verbrennungen
erleidet.
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Die Erfindung schafft, wie aus der oben stehenden Beschreibung zu
sehen ist, eine Vorrichtung, die wesentlich wirksamer als das herkömmliche Wirbelstrom-Nachweisgerät
für Fehler im Metall ist, so daß die Erfindung außerordentlich viel auf dem industriellen
Gebiet beitragen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nadel-Sonde für zerstörungsfreie
Metallprüfung zu schaffen, die einen sehr einfachen Aufbau und eine hervorragende
Wirkung besitzt.
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Die Erfindung soll auch eine Sonde für zerstörungsfreie Metallprüfung
schaffen, die leicht zu tragen und geeignet ist, wirksam und effektiv besonders
bei einer Eisenplatte oder einem Metallrohr, wie beispielsweise aus einem ferromagnetischen
Material, zu arbeiten.
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Ferner soll die Erfindung eine Sonde für Metallprüfungen schaffen,
die unter Verwendung von Nadeln, um die Spulen gewickelt sind, einen Fluß fokussiererxlin
einen inneren Bereich eines metallischen Gegenstandes eindringen läßt.
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Die Erfindung sqll weiterhin eine sehr wirtschaftliche und zweckdienliche
Sonde für Metallprüfung schaffen, die geeignet in einem Anzeigegerät mit zweifachem
Ausgang verwendet werden kann, das einfach im Aufbau und klein in den Ausmaßen ist.
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Ferner soll die Erfindung eine Sonde zur äußerst wirksamen Bestimmung
der Dicke schaffen, indem sie einen Prüfnadelkern und mindestens einen Satz von
mehreren Nadelkernen, die um den Prüfkern angeordnet sind, aufweist.
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Schließlich soll die Erfindung eine äußerst nützliche Sonde zum Nachweis
von Metallfehlern schaffen, indem sie mindestens ein Paar von Prüfnadelkernen und
mindestens einen Satz von mehreren Nadelkernen schafft, die um die Prüfkerne angeordnet
sind.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels
einer Nadel-Sonde für zerstörungsfreie
Metallprüfung, die zum Ermitteln
der Dicke eines metallischen Gegenstandes geeignet ist; Fig. 2 zeigt einen Querschnitt
der in Fig. 1 dargestellten Sonde; Fig. 3 zeigt eine schaubildliche Darstellung
des ersten Ausführungsbeispiels in auseinandergezogener Anordnung; Fig. 4 zeigt
eine schaubildliche Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels der Nadel-Sonde
für zerstbrungsfreie Metallprüfung, die zum Nachweis von Materialfehlern in metallischen
Gegenständen geeignet ist; Fig. 5 (A) zeigt ein Diagramm der Anzeige einer Wandstärkenänderung,
die durch das erste Ausführungsbeispiel der Sonde für Metallprüfung vom Absolut-Typ
erhalten wurde; Fig 5 (B) zeigt ein Diagramm einer Materialfehlerermittlung, die
die resultierenden Daten anzeigt, die durch das zweite Ausführungsbeispiel einer
Sonde für Metallprüfung vom Zfferential-Typ erhalten wurden, und
Fig.
6 zeigt ein Blockschaltbild des elektrischen Schaltungsaufbaus eines Anzeigegerätes
mit zweifachem Ausgang, wobei die Sonden für Metallprüfung vom Absolut-Typ und vom
Differential-Typ wirkungsmäßig mit dem Gerät verbunden sind.
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Gemäß der Darstellung in den Fig. 1 bis 3, die ein erstes Ausführungsbeispiel
zeigen, besitzt die Nadel-Sonde für zerstörungsfreie Metallprüfung als Wandstärken-Ermittlungssonde
vom Absolut-Typ ein äußeres röhrenförmiges Element 1 und ein inneres röhrenförmiges
Element 2, das in das äußere röhrenförmige Element 1 eingesetzt ist. Im mittleren
Bereich des inneren Elements 2 befindet sich ein Durchgangsloch 9, in das ein Prüf-
oder Nachweisnadelkern eingesetzt ist, der aus einer Nadel 5 und einer Drahtwicklung
6 besteht, die um die Nadel gewickelt und mit einer Wechselspannungsquelle mit einer
.Spannung von nur 0,003 V verbunden ist.
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In dem ersten Ausführungsbeispiel der Wandstärken-Ermitt;.
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lungssonde vom Absolut-Typ besitzt das Anregungssystem , das das Material
des zu prüfenden Gegenstandes anregt und magnetisiert, um die darin befindlichen
magnetischen Bezirke zu ordnen, ein inneres röhrenförmiges Element 2 und ein äußeres
röhrenförmiges Element 1, die jeweils einen Satz von Anregungsnadelkernen
aufweisen,
die in sie eingesetzt sind.
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Wie man aus Fig. 3 erkennt, besitzt das innere Element 2 an seinem
hinteren Ende einen glatten Steg 21, an seinem vorderen Ende einen eingekerbten
Steg 22 und eine zwischen den beiden ausgebildete mittlere Ausnehmung 23. Der vordere,
eingekerbte Steg 22 weist eine Anzahl von Nuten 24 auf, die in diesem so ausgebildet
sind, daß sie sich längs des Stegs von einer Seite zu der anderen Seite erstrecken.
Ein erster Satz von Anregungsnadelkernen 25 ist so am Boden der Nuten 24 angeordnet,
daß sie sich längs des Stegs erstrecken. Die Länge der jeweiligen Anregungsnadelkerne
ist so festgelegt, daß ihr dickes oder Basisende die vordere Seite des hinteren
glatten Stegs 21 berührt und daß sich die angespitzten Enden an der vorderen Seite
des eingekerbten Stegs 22 befinden.
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Um jede Anregungsnadel 25 des ersten Satzes jeweils innerhalb ihrer
betreffenden Nut 24 und auf dem Boden der Ausnehmung 23 sicher festzuhalten, ist
ein zweiter Leiter 26 um den Satz von Nadeln gewickelt, so daß er die Nadeln an
ihren äußeren Seiten von der vorderen Seite des glatten Stegs 21 bis zu der hinteren
Seite des eingekerbten Stegs 22 berUhrtt Die Windungszahl des Leiters ist so festgelegt,
daß die Sonde
vom Absolut-Typ wirkungsvoll arbeitet.
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Allgemein gesagt, besteht zwischen dem inneren röhrenförmigen Element
2 und dem äußeren röhrenförmigen Element 1 außer der Größe in der Form,im Aufbau
und folglich in der Wirkungsweise kein Unterschied. Ein weiterer zweiter Leiter
16 ist um einen Satz von Anregungsnadeln 15 gewickelt, die sich jeweils in Nuten
14 des äußeren röhrenförmigen Elementes 1 befinden. Die zweiten Leiter 26 und 16,
die in den betreffenden Ausnehmungen 23 und 13 der entsprechenden Elemente 2 und
1 angeordnet sind, sind elektrisch mit einer Gleichspannungsquelle mit einer Spannung
von etwa 0,003 V verbunden.
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Wie aus den Fig. 1 bis 3 klar zu sehen ist, ist das innere röhrenförmige
Element 2 so gestaltet, daß es in das zentrale Durchgangsloch des äußeren röhrenförmigen
Elements 1 eingesetzt werden kann. Der Außendurchmesser des inneren Elements 2 entspricht
dem Innendurchmesser des äußeren Elements 1; das innere Element 2 wird folglich
genau in das äußere Element 1 eingepaßt. Die Länge des inneren Elements 2 ist die
gleiche wie die des äußeren Elements 1; die vorderen Ränder der beiden Elemente
1 und 2 sind beim Zusammenbau bündig oder liegen fast auf gleicher Höhe.
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Das zweite Ausführungsbeispiel der Materialfehler-Ermittlungssonde
vom Differential-Typ besitzt einen Körper 3, der in der Wirkungsweise und in der
Form dem äußeren röhrenförmigen
Element 1 der Wandstärken-Ermittlungssonde
vom Absolut-Typ entspricht. Die Materialfehler-Ermittlungssonde vom Differential-Typ
besitzt einen vorderen Steg 32 und einen hinteren glatten Steg 31. Sie sind durch
eine dazwischenliegende Ausnehmung 33 voneinander getrennt. Am äußeren Bereich des
vorderen Stegs 32 sind eine Anzahl von Nuten 34 ausgebildet, die allyemein zur Mitte
des vorderen Stegs vertieft sind und sich längs des Stegs von der vorderen Kante
zu der hinteren Kante erstrecken.
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Im mittleren Bereich des vorderen, eingekerbten Stegs 32 befinden
sich drei Paare von Durchgangslöchern 39, in die sechs Nachweisnadeln 35 eingesetzt
und in eine solche Lage gebracht sind, daß die angespitzten Enden der Nadeln in
den Durchgangslöchern mit der vorderen Fläche des eingekerbten Stegs abschließen
oder um einen geringen Abstand zurückliegen. Die beiden Nadeln eines jeden Paars
von Nachweisnadeln befinden sich in der Abtastrichtung der Differential-Sonde für
zerstörungsfreie Metallprüfung, wenn die Sonde an der Oberfläche des zu prüfenden
Materials anliegt. Somit tritt bei der Nachweisarbeitsweise der Nadel eine Zeitverzögerung
auf; es wird die in Fig. 5 (B) dargestellte resultierende Kurve erhalten. Die in
die Durchgangslöcher 39 eingesetzten Nachweisnadeln 35 besitzten jeweils einen ersten
Leiter 36, die mit einer Wechselspannungsquelle mit einer Spannung
von
etwa 0,03 V verbunden sind. Bei der Herstellung der Sonde werden zuerst die sechs
ersten Leiter um die Nachweisnadeln gewickelt; dann werden die entstehenden Nachweisnadelkerne
in die Durchgangslöcher 39 eingesetzt.
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In die am vorderen Steg 32 ausgebildeten Nuten 34 sind eine Anzahl
von Anregungsnadeln 45 eingesetzt, die mittels eines zweiten Leiters 46 gehalten
werden, der um die Enden der Anregungsnadeln 45 gewickelt ist, die somit in der
Ausnehmung 33 als Spulenkörper festgehalten sind. Der zweite Leiter ist mit einer
Gleichspannungsquelle mit einer Spannung von etwa 0,003 V elektrisch verbunden.
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Erfindungsgemäß werden die Metallprüfsonde vom Absolut-Typ und die
Metallprüfsonde vom Differential-Typ wirksam und angemessen betrieben, wenn sie
mit dem Anzeigegerät mit zweifachem Ausgang verbunden sind, das den in Fig. 6 dargestellten
elektrischen Schaltungsaufbau besitzt. Wie man aus der Fig. 6 erkennt, werden die
Absolut-Sonde und die Differential-Sonde über einen Umschalter elektrisch umgeschaltet;
weitere elektrische Bauteile, wie beispielsweise ein Abgleichsystem, ein Abstimmverstärker
und ein Modulator werden für die beiden Sonden als gemeinsam wirkende Bauteile verwendet.
Ein Gerät mit stabilisierter Gleichspannung ist mit den Bauteilen verbunden, die
notwendigerweise
elektrisch stabilisiert sein müssen. Das Anzeigegerät mit zweifachem Ausgang wird
durch den Aufbau unterschiedlicher herkömmlicher elektrischer Bauteile hergestellt.
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Die Daten, die von der wechselnden Wandstärke des metallischen Materials
herrühren, sind auf dem im Anzeigegerät eingebauten Oszilloskop dargestellt. Die
Daten werden auf einem Aufzeichnungsgerät, einem mit einer Feder schreibenden Oszillographen
in Form der in den Fig. 5 (A) und 5 (B) dargestellten Kurven aufgezeichnet. Die
resultierenden Daten können auch auf einer Vorrichtung für digitale Anzeige angezeigt
werden. Das Oszillograph-Aufzeichnungsgerät und die Vorrichtung für digitale Anzeige
werden von einem Gleichspannungsverstärker gesteuert, der mit ihnen verbunden ist.
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Die erfindungsgemäße Nadel-Sonde für zerstörungsfreie Metallprüfung
besitzt im allgemeinen einen Standardfrequenzbereich von 4 lIz bis 16 Hz. Die geeignete
Frequenz wird gemäß dem zu prüfenden Material und der Wandstärke ausgewählt.
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Die Prüfsonde verwendet sehr dünne Nadeln als Nachweiskerne unc als
Anregungskerne. Folglich genügt eine kleine Quelle geringer Leistung für den wirksamen
Betrieb der Nachweiskerne und der Anregungskerne;trotz der geringen elektrischen
Leistung
dringt der magnetische Fluß wegen der Verwendung von dünnen Nadeln für die Nadelkerne
in die Tiefe ein.
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In den bevorzugten Ausführungsbeispielen besitzen die jeweiligen
Nadeln einen Durchmesser von etwa 0,25 mm, eine Länge von etwa 50 mm und ein angespitztes
Ende. Das Gesamtgewicht der Sonde beträgt nur etwa 100 g.
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Die Erfindung schafft somit eine Nadel-Sonde für zerstörungsfreie
Metallprüfung vom Absolut-Typ, die einen mittleren Nachweiskern aus einer dünnen
Nadel besitzt, die in ein Durchgangsloch eingesetzt ist, das in einem inneren fahren
förmigen Element ausgebildet ist. Das Anregungssystem vom Absolut-Typ besitzt das
innere röhrenförmige Element und ein äußeres röhrenförmiges Element, die jeweils
einen Satz von Anregungsnadelkernen aufweisen, die sich in einer Anzahl von Nuten
befinden, die an einem vorderen Steg der Elemente ausgebildet sind. Die Erfindung
schafft auch eine Sonde vom Differential-Typ, die mindestens ein Paar von Nachweisnadelkernen
und eine Anzahl von Anregungsnadeln besitzt, die um das Paar der Nachweisnadeln
angeordnet sind, so daß sie parallel zueinander liegen.