DE2616745B2 - Einrichtung zum Ermitteln der elektrischen Leitfähigkeit eines Werkstoffes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Ermitteln des auf eine bestimmte Temperatur bezogenen Wertes der elektrischen Leitfähigkeit eines Werkstoffes, mit einer mit der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstoffes in Verbindung zu bringenden ersten Wirbelstromsonde, die Wirbelströme im Werkstoff hervorruft und ein von der Leitfähigkeit des Werkstoffes abhängiges elektrisches Signal abgibt sowie mit einer an die Wirbelstromsonde angeschlossenen Wirbelstromprüfanordnung zum Aufbereiten des von der elektrischen Leitfähigkeit abhängigen Signals.

to In vielen Fällen ist die genaue Kenntnis der elektrischen Leitfähigkeit von großer technologischer Bedeutung, sei es, daß man bei Leiterwerkstoffen an der Leitfähigkeit an sich interessiert ist oder sei es, daß man aus der Leitfähigkeit auf andere Werkstoffkennwerte

is schließen will, etwa auf die Zusammensetzung von Legierungen, auf die Reinheit von unlegierten Werkstoffen, auf die Härte und andere mehr Schwierigkeiten bereitet bei der Lösung dieses Prüfproblems der Umstand, daß man mit den verwendeten Verfahren eine im Normalfall staik von der Temperatur abhängige Größe ermittelt, während sich das Interesse auf einen temperaturunabhängigen Kennwert erstreckt, nämlich auf die auf eine bestimmte Standardtemperatur von z. B. 20° C bezogene Leitfähigkeit. Häufig muß dieser Kennwert mit großer Auflösung und hoher Genauigkeit in einem relativ kleinen Bereich von beispielsweise wenigen Siemens-Einheiten festgestellt werden, während sich die gemessenen Leitfähigkeiten cuf Grund von Temperatnrschwankungen um lOmal größere Beträge

jo unterscheiden können.

Aus der britischen Patentschrift 12 94 201 ist ein Gerät zum Steuern der Zuschlagmenge eines Reduktionsmittels zur Kupferschmelze auf Grund der am gegossenen und bereits erstarrten Strang gemessenen

v> Leitfähigkeitswerte bekannt. Man benutzt dabei zur Leitfähigkeitsmessung ein Wirbelstromprüfverfahren. Dazu wird eine induktive Sonde auf die Oberfläche des Stranges aufgesetzt und in konstantem Abstand zur Oberfläche gehalten, während sich diese an der Sonde vorbei bewegt. Die Sonde induziert in der Oberfläche des Stranges Wirbelströme, die ihrerseits auf die Sonde zurückwirken, indem sie den Scheinwiderstand der Sonde verändern. Durch Messen des Scheinwiderstands erhält man ein kontinuierliches von der elektrischen Leitfähigkeit des Strangwerkstoffes abhängiges elektrisches Signal, in dem die Temperatur des Stranges als Einflußgröße noch enthalten ist. Um diese Einflußgröße zu eliminieren, ist in der Nähe der Sonde ein Temperaturfühler angebracht, der ein von der Strangtemperatur abhängiges Signal erzeugt. Dieses Signal wird dazu benutzt, das von der Wirbelstromsonde abgeleitete Signal auf einen Wert der Leitfähigkeit zurückzuführen, der auf eine Standardtemperatur bezogen ist.

Obwohl die Anwendung der bewährten Wirbelstromprüftechnik zur Ermittlung der elektrischen Leitfähigkeit auf Grund ihrer hohen Genauigkeit zu guten Ergebnissen führen könnte, machen sich bei dem beschriebenen Gerät auch wesentliche Nachteile

to bemerkbar. So müssen durch einen besonderen Temperaturfühler und eine dazugehörige Auswertanordnung Temperatursignale erzeugt werden. In einer weiteren zusätzlichen Anordnung müssen aus den Wirbelstromsignalen und aus den Temperatursignalen

b5 die auf die Standardtemperatur bezogenen Leitfähigkeitssignale gebildet werden. Während das Temperaturverhalten der Leitfähigkeit κ häufig wenigstens in wichtigen Bereichen eine annähernd lineare Abhängig-

keit von der Temperatur ft aufweist, etwa nach

zeigen die gebräuchlichen Temperaturfühler normalerweise ein nichtlineares Verhalten. Es muß also noch eine Linearisierung der von den Temperaturfühlern ausgehenden Signale vorgenommen werden, bevor diese zur Standardisierung der Leitfähigkeit benutzt werden iu können. Abgesehen von dem notwendigen Aufwand bilden die Ableitung und Auswertung des Temperatursignals, seine Linearisierung und die Standardisierung des Leitfähigkeitssignals durch das Temperatursignal zusätzliche Fehlermöglichkeiten, so daß die Vorteile der Wirbelstromprüftechnik wenigstens teilweise wieder aufgehoben werden können.

Die Erfindung stellt sich in Anbetracht dessen eine Einrichtung der eingangs definierten Gattung zur Aufgabe, mit deren Hilfe bei voller Ausnutzung der Genauigkeit der gewählten Leitfähigkeilsmeßtechnik mit einfachen Mitteln die auf eine Standardtemperatur bezogene elektrische Leitfähigkeit: ermittelt werden kann.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einer gemäß Patentanspruch 1 gekennzeichneten Einrichtung.

Die aufgezeigte Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe macht es möglich, einen von der Temperatur des Werkstoffes praktisch unabhängigen Wert der elektrischen Leitfähigkeit zu ermitteln, ohne daß dazu eine Temperaturmessung nötig wäre. Wählt man gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung die Leitfähigkeit des Vergleichswerkstoffes gleich groß wie die mittlere Leitfähigkeit des zu messenden Werkstoffes, so ergibt sich eine Verhältniszahl, mit der man nur die js Leitfähigkeit des Vergleichswerkstoffes multiplizieren muß, um die gesuchte Leitfähigkeit zu erhalten. Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung bringt man den Vergleichswerkstoff und den zu prüfenden Werkstoff in engen thermischen Kontakt miteinander, um zwischen den beiden Temperaturgleichheit herzustellen. Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß man wenigstens teilweise beim Messen der Leitfähigkeit des Vergleichswerkstoffes und des zu prüfenden Werkstoffes dieselbe Meßeinrichtung benutzt. Man ist damit in der Lage, die beim Messen der Leitfähigkeit zu erwartenden Meßfehler weitgehend zu unterdrücken.

Im folgenden soll mit Hilfe von Figuren und an Hand von einem Auaführungsbeispiel die Erfindung näher erläutert werden. Die Figuren zeigen im einzelnen

F i g. 1 eine Einrichtung zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit,

Fig.2 eine andere Ausführung einer solchen Einrichtung.

F i g. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematisierter Darstellung eine Einrichtung zum Ermitteln der auf eine Standardtemperatur bezogenen elektrischen Leitfähigkeit, wobei für die Leitfähigkeitsmessung ein bekanntes Verfahren der Wirbelstromprüf- bo technik eingesetzt wird. Das Prüfteil, etwa eine Kupferbarre 1, besitzt eine mittlere Leitfähigkeit von χμ, die auf Grund von Verunreinigungen um ± Δχμ schwankt. Die Temperatur der Barre 1 soll zumindest an ihrer Oberfläche 2, an der die Messung stattfindet, ft sein. Ein Plättchen 3 aus einem Vergleichswerkstoff der Leitfähigkeit x_v befindet sich durch Aufsetzen auf die Oberfläche 2 in gutem thermischem Kontakt mit der Barre 1 und nimmt deren Temperatur ft an. Zwei gleichartige Wirbelstromsonden 5 ud 7 sind an Wirbelstromprüfgeräte 9 bzw. 11 angeschlossen, deren Ausgänge A und B mit einem den Quotienten A/B bildenden Dividierer 13 verbunden sind. Sonde 5 ist auf die Oberfläche 2 der Barre 1 aufgesetzt und soll dem Plättchen 3 so dicht benachbart sein, daß unter Sonde S und Plättchen 3 die gleiche Temperatur ft der Oberfläche 2 angenommen werden kann. Sonde 7 ist auf die äußere Oberfläche des Plättchens 3 aufgesetzt. Bevorzugt wird eine feste Verbindung zwischen Sonde 7 und Plättchen 3, etwa eine Klebeverbindung. Stärke und Fläche des Plättchens 3 sollten möglichst klein gehalten werden, damit seine Temperatur derjenigen der Oberfläche 2 schnell folgen kann. Die Mindeststärke des Plättchens 3 hängt von der Erregerfrequenz der Sonde 7 ab und muß so bemessen werden, daß kein Hindurchwirken der Wirbelströme durch das Plättchen 3 möglich ist. Die Mindestgröße der Fläche des Piättchens 3 hängt von der Dimensionierung der Sonde 7 ab. Die mit Plättchen 3 verbundene Sonde 7 und Sonde 5 können auch auf einem gemeinsamen hier nicht dargestellten Träger angeordnet sein und mit diesem relativ zur Oberfläche 2 bewegt werden. Voraussetzung hierfür ist, daß die Bewegung langsam genug erfolgt, um thermisches Gleichgewicht zu ermöglichen und das Entstehen von Reibungswärme zu vermeiden.

Die Sonden 5 und 7 sowie die daran angeschlossenen Wirbelstromprüfgeräte 9 und 11 sind von herkömmlicher Art. Sie kpnnen so ausgelegt sein, daß an ihren Ausgängen die Spannung Null steht, wenn die Sonden 5 und 7 von der Werkstoffoberfläche abgehoben sind, d. h. bei der Leitfähigkeit χ = 0. Ändern sich xm und x_v nach der gleichen Funktion mit der Temperatur, so ändern sich die Ausgänge A und B im gleichen Maß mit der Temperatur, d. h., der Quotient A/B bleibt konstant und hängt nur von Δ xmo, der auf eine Standardtemperatur bezogenen Leitfähigkeitsänderung ab. Das ist besonders leicht zu realisieren, wenn Xm = κ ν gewählt wird.

F i g. 2 zeigt als weiteres Beispiel ein anderes Blockschaltbild einer Einrichtung zum Ermitteln der auf eine Standardtemperatur bezogenen elektrischen Leitfähigkeit. Die dargestellte Einrichtung genügt auf Grund einer besonderen Schaltanordnung hinsichtlich Genauigkeit und Langzeitkonstanz ihrer Anzeige hohen Anforderungen und eignet sich besonders für den Einsatz bei der kontinuierlichen Kontrolle der Leitfähigkeit von Halbfabrikaten. Meßsonde 5 und Vergleichssonde 7 sind wie oben beschrieben aufgebaut und angeordnet. Die Ausgänge der beiden Sonden 5 und 7 sind über die Kontakte 15 eines Synchronschalters abwechselnd an den Eingang eines Wirbelstromprüfgerätes 17 gelegt. Synchron mit den Kontakten 15 arbeiten Kontakte 19,21 und 23, so daß abwechselnd die Signale der Meßsonde 5 und der Vergleichssonde 7 ausgewertet werden. Ein Empfindlichkeitsstellglied 25 dient dazu, die geringfügigen konstruktionsbedingten Empfindlichkeitsunterschiede der beiden Sonden 5 und 7 auszugleichen. Abwechselnd werden die von d^n Sonden 5 und 7 ausgehenden Signale über die Kontakte 21 einem Analog-Digital-Wandler 27 zugeführt. Die Kontakte 23 leiten abwechselnd das von Meßsonde 5 ausgehende digitale Signal einem ersten Zähler 29 und das von der Vergleichssonde 7 ausgehende digitale Signal einem zweiten Zähler 31 zu. Den Zählern 29 und 3i sind jeweils Zählwertspeicher 34,36 zugeordnet, die über Eingänge 33 und 35 nach jeder Schaltperiode des Synchronschalters gelöscht werden können. Die vorübergehend

gespeicherten Zählwerte A und B gelangen auf einen Dividierer 37, der den Quotienten A/B und damit einen nur von der standardisierten Leitfähigkeit abhängigen Wert bildet.

Durch die Umsetzung der analogen Meßsignale in digitale Signale wird es möglich, die Division A/B mit der hohen Genauigkeit der Digitaltechnik durchzuführen. Die Einführung der synchronen Umschaltung erlaubt es, für die Auswertung von Meß- und Vergleichssignal sowohl das gleiche Wirbelstromprüfgerät 17 als auch den gleichen Analog-Digital-Wandler 27 zu benutzen. Das bedeutet zum einen eine wesentliche Verringerung des notwendigen Aufwandes, zum anderen jedoch eine beträchtliche Heraufsetzung der Meßgenauigkeit, da bei der Division alle Fehlergrößen herausfallen, die die Meßergebnisse der beiden Kanäle in gleichem Maß multiplikativ verfälschen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Ermitteln des auf eine bestimmte Temperatur bezogenen Wertes der elektrischen Leitfähigkeit eines Werkstoffes bei einer gegebenen Temperatur des Werkstoffes, mit einer mit der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstoffes in Verbindung zu bringenden ersten Wirbelstromsonde, die Wirbelströme im Werkstoff hervorruft und ein von der Leitfähigkeit des Werkstoffes abhängiges elektrisches Signal abgibt sowie mit einer an die Wirbelstromsonde angeschlossenen Wirbelstromprüfanordnung sum Aufbereiten des von der elektrischen Leitfähigkeit abhängigen Signals, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein mit der Oberfläche (2) des zu untersuchenden Werkstoffes (1) in thermischen Kontakt zu bringendes Teil (3) aus einem Vergleichswerkstoff und eine der ersten gleichartige zweite Wirbelstromsonde (7) vorgesehen sind, daß die letztere mit der Oberfläche des Teils (3) aus Vergleichswerkstoff in ähnlicher Weise in induktiver Verbindung steht, wie die erstgenannte Wirbelstromsonde (5) mit der Oberfläche (2) des zu prüfenden Werkstoffes (1) und daß die Signale der beiden Sonden (5, 7) nach ihrer Aufbereitung in der Wirbelstromprüfanordnung (9,11,17) einer quotientenbildenden Anordnung (13,37) zugeführt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (3) aus Vergleichswerkstoff mit der zweiten Wirbelstromsonde (7) mechanisch fest verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Aufbereitung der Signale aus den beiden Wirbelstromsonden (5, 7) eine gemeinsame Wirbelstromprüfanordnung (17) benutzt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronischer Synchronschalter vorgesehen ist, der die Signale der beiden Wirbelstromsonden (5, 7) periodisch mit der Wirbelstromprüfanordnung (17) in elektrische Verbindung bringt und daß Speicher (34,36) vorgesehen sind, in denen die von den Wirbelstromsonden (5, 7) ausgehenden Signale vorübergehend gespeichert werden können.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ursprünglich analogen Signale der Wirbelstromsonden (5, 7) in einem Wandler (27) in digitale Signale umgewandelt werden, die von Zählern (29, 31) gezählt werden, und daß die Zählwerte der letzteren einem digitalen Dividierer (37) zugeführt werden.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeit des Vergleichswerkstoffes des obengenannten Teils (3) gleich groß wie die mittlere Leitfähigkeit des zu prüfenden Werkstoffes (1) gewählt wird.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man als Vergleichswerkstoff für das obengenannte Teil (3) im wesentlichen den gleichen wie den zu prüfenden Werkstoff (1) wählt.