DE2626060A1

DE2626060A1 - Wirbelstrom-messonde zur zerstoerungsfreien werkstoffpruefung

Info

Publication number: DE2626060A1
Application number: DE19762626060
Authority: DE
Inventors: Colin R Bax; Valentino S Cecco
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1975-06-12
Filing date: 1976-06-10
Publication date: 1977-02-03
Also published as: FR2314496A1; CA1014226A; JPS51151591A; IT1071201B

Description

MÜLLER-BORE ¹B · I)EIJFEL · SCHÖN · HERTEL

PATENTAX WALTE

DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE (PATENTANWALT VON 1927 - 1975)

DR. PAUL DEUFEL. DIPL.-CH EM. DR. ALFRED SCHÖN. DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL. DIPL.-PHYS.

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ATOMIC ENERGY OF CANADA LInITED Ottawa, Ontario, Kanada

Wirbelstrom-Meßsonde zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung

Priorität: Kanada, 12. Juni 1975, Nr. 229,187

Die Erfindung "betrifft eine Wirbelstrom-Meßsonde und bezieht sich, insbesondere auf eine solche Sonde, welche eine hohe Empfindlichkeit für Fehlstellen in Rohren aufweist, die als Bestandteil einer komplizierten Anordnung dienen.

Die Virbelstromprüfung hat sich bei der Ermittlung von Fehlstellen oder Rissen in verschiedenen Strukturen als ein wirksames Mittel erwiesen. Eine Anzahl von Prüfmethoden sind entwickelt worden, zu welchen auch die Methode gehört, Wirbelströme auszusenden und zu messen, wobei ein Magnetfeld in dem Prüfobjekt durch eine Sendespule aufgebaut wird und durch eine Empfangsspule abgetastet wird, wobei auch mehrere Spulen verwendet werden können, und es ist weiterhin mit der Wirbelstrom-Impedanzmethode gearbeitet worden, bei welcher die Spulen in einer Brückenschaltung angeordnet sind. Eine Wechselspannungsquelle wird an die zwei gegenüberliegenden Klemmen einer Brücke gelegt,

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und ein Detektor wird an die beiden anderen Klemmen der Brücke angeschlossen.

Diese Methoden, insbesondere mit ihren entsprechenden Umfangssonden, welche durch den Innenraum eines Rohres hindurchgezogen werden, haben sich als außerordentlich zweckmäßig erwiesen, Fehler bei nicht-unterstützten Rohrlängen zu ermitteln, wie sie auftreten können, wenn die Rohre vor der Installation untersucht werden. In einer komplizierten Anordnung jedoch haben sich bisher vorhandene Instrumente im Hinblick auf die Empfindlichkeit bei der Fehlerermittlung im Bereich von Rohrunterstützungen und Rohrplatten als unzulänglich erwiesen. Dies rührt daher, daß bei bekannten Instrumenten die Spulen immer in Umfangsrichtung innerhalb der Sonden angeordnet sind, d. h. die Achsen der Spulen in der Sonde sind konzentrisch zu der Achse des untersuchten Rohres angeordnet. Diese Sonden erzeugen daher große Signale, wenn die Sonde sich im Bereich einer Unterstützung oder einer anderen Anordnung befindet, die mit dem Rohr in Berührung steht oder in unmittelbarer Nähe davon angeordnet ist, weil eine solche Unterstützung oder eine ähnliche Konstruktion ebenfalls als Diskontinuität oder Fehlstelle gedeutet wird. Diese großen Signale erzeugen somit keine nützliche Information und können kleine Fehlstellen oder Fehler in dem Rohr überdecken, die in der Nähe einer Unterstützung oder einer ähnlichen Konstruktion liegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sonde der eingangs näher erläuterten Art zu schaffen, welche für lokale Fehlstellen in einem Rohr besonders empfindlich ist.

Zur Losung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

Gemäß der Erfindung ist der x^esentliche Vorteil erreichbar, daß die Empfindlichkeit auch für Fehlstellen in einem Rohr im Bereich

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von Halterungen, Bohrplatten oder anderen Diskontinuitäten außerordentlich hoch ist, welche symmetrisch in bezug auf das 'Rohr angeordnet sind.

Weiterhin wird gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise eine wesentlich verbesserte Differentialspulensonde geschaffen, welche Sende-Empfangs-Einrichtungen aufweist.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß mit Hilfe einer Mehrspulensonde eine Anwendung in Verbindung mit einer Impedanzbrückeneinrichtung möglich ist.

Nach dem Grundgedanken der Erfindung wird somit eine Sonde geschaffen, bei welcher eine Anzahl von Paaren identischer Spulen in Umfangsrichtung um die Achse der Sonde derart angeordnet sind, daß eine Diskontinuität oder Fehlstelle symmetrisch in bezug auf ein Rohr durch die Probe nicht ermittelt wird, weil das Signal von einer Spule das Signal von einer anderen Spule kompensiert und nur das Signal von einem lokalisierten Fehler unter einer der Spulen angezeigt wird. Jede der Spulen ist auf einzelne identische Kerne gewickelt, die symmetrisch um die Achse der Sonde angeordnet sind, um eine 100 %ige Überdeckung des Innenumfanges des Rohres zu erreichen. Die Spulenanordnung kann Spulen haben, die auf zwei D-förmige Kerne gewickelt sind, die jeweils 180° überdecken, es können jedoch auch vier 90°-Kerne, sechs 60°-Kerne usw. verwendet werden, die jeweils in einer. Ebene angeordnet sind. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können Spulen in einer Anordnung verwendet werden, bei welcher eine gerade Zahl von identischen Spulenpaaren vorgesehen sind, wobei die Spulen auf Kerne gewickelt sind, die in zwei benachbarten parallelen Ebenen derart angeordnet sind, daß die sich entweder zwischen den Spulen vollständig oder teilweise überlappen, um eine gleichförmige Abtastung des gesamten Innenumfanges eines Rohres zu - gewährleisten. Zur Ermittlung von Rissen oder Sprüngen können •die Spulen als Zweige einer herkömmlichen Brücke in einem

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Impedanzinstrument mit einer Wechselstrombrückenschaltung ■angeordnet sein, oder sie können als Empfangsspulen in einem herkömmlichen Sende-Empfangs-Instrument verwendet werden. Im letztgenannten Falle sind x^eitere Erregerspulen an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen, und diese Spulen sind über den gesamten Umfang einer Kernanordnung angebracht, um Wirbelströme in dem in der Prüfung befindlichen Rohr zu erzeugen.

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Die Erfindung wird nachfolgend "beispielsweise anhand der Zeichnung "beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 ein Schaltschema eines herkömmlichen Vechseistrombrück enimpedanzinstrumentes,

Pig. 2 ein Schaltschema des herkömmlichen Sende-Empfangs-Instrumentes,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine herkömmliche Wirbelstromsonde,

Fig. 4- und 5 jeweils eine Anordnung mit zwei bzw. vier Spulen gemäß der Erfindung,

Fig. 6, 7 und 8 jeweils eine Kernanordnung gemäß der Erfindung, bei welcher einzelne Kerne in benachbarten parallelen Ebenen angeordnet sind, und

Fig. 9 eine Kernanordnung gemäß der Erfindung zur Verwendung bei Sende-Empfangs-Instrumenten.

Die herkömmlichen Instrumente, bei welchen die erfindungsgemäße Sonde verwendet werden kann, sind schematisch in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Die Wechselstrombrückenschaltung 1 für das Impedanzinstrument gemäß Fig. 1 besteht aus einer Brücke 2, welche Klemmen A, B, C und D aufweist, wobei eine Wechselstromquelle 3 mit den Klemmen A und C verbunden ist und wobei ein Detektor 4 mit den Klemmen B und D verbunden ist. Die Spulen der Sonde sind gewöhnlich als Zweige 5 und 6 der Brücke zwischen den Klemmen A und B bzw. den Klemmen B und C angeordnet. Weiterhin können veränderbare Widerstände zum Abgleich der Brücke in die Zweige 5 und 6 eingesetzt werden. Die Zweite 7 und 8 zwischen den Klemmen C und D sowie zwischen den Klemmen D und A bestehen

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jeweils aus veränderbaren Impedanzen, die ebenfalls zu Abgleichzwecken dienen. Es können jedoch weitere Spulen in der Sonde in die Zweige 7 und 8 eingeschaltet sein.

Das Umfangsspulen-Sende-Empfangs-Instrument 21 gemäß B¹Xg. 2 besteht aus einer Erregerspule 22, welche mit einer Wechselstromquelle 23 verbunden ist, und aus einer Aufnahmespule 24, die mit einem Detektor 25 verbunden ist. Die Spulen 22 und 23 sind in einer Sonde angeordnet, welche durch ein Rohr hindurchgezogen werden kann, welches untersucht werden soll.

Die Fig. 3 veranschaulicht in einem Querschnitt eine typische Sonde, in welche eine erfindungsgemäße Spulenanordnung eingesetzt werden kann. Die Spulenanordnung 31 ist starr innerhalb des Sondengehäuses befestigt, welches einen vorderen Sondenkörper 32 und einen rückwärtigen Sondenkörper 33 aufweist. Becherförmige oder glockenförmige Führungselemente 3^ sind jeweils auf dem vorderen Sondenkörper 32 und dem rückwärtigen Sondenkörper 33 derart angebracht, daß die Sonde in dem Rohr

30 zentriert ist. Ein abgeschirmtes Kabel 35 ist in den rückwärtigen Sondenkörper 33 eingeführt und enthält Leitungen 36, die mit der Spulenanordnung 31 verbunden sind. Ein Zughaken und Drähte 38 sind an dem vorderen Sondenkörper 32 angebracht, um die Sonde durch das Rohr 30 hindurchzuziehen.

Verschiedene Spulenanordnungen gemäß der Erfindung, welche in Verbindung mit dem Impedanzinstrument verwendet werden können, sind in den Fig. 4- bis 8 dargestellt. Jede Figur enthält eine Darstellung des Spulenkerns, auf welchen die Spulen gewickelt sind, weiterhin einen Axialschnitt durch die Spulenanordnung, einen oder mehrere Querschnitte senkrecht zu der Achse der Anordnung und ein Schaltungsdiagramm der Spulen innerhalb der in der Fig. 1 dargestellten Brückenschaltung.

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Die grundlegendste Spulenanordnung 41 gemäß der Erfindung ist in der Fig. 4 dargestellt, und sie weist zwei identische, D-förmig ausgebildete Kerne 42 und 43 auf, welche Nuten haben, in denen jeweils identische Spulen 44 bzw. 45 angebracht sind. Die Kerne können aus verschiedenen Materialien bestehen, und zwar in Abhängigkeit von der Anwendung und der Prüffrequenz.

Einige Beispiele sind Permanentmagnetmaterialien, Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität, elektrisch nicht-leitende Materialien und sogar elektrisch leitende Materialien für höhere mechanische Festigkeit und/oder Fokussierungszwecke. Jede Spule 44 und 45 überdeckt 180° des Umfangeε der Spulenanordnung, um eine 100 %ige Uberdeckung gemäß Fig. 4c zu erreichen, wobei die Pfeile i die Richtung des relativen Stromflusses angeben. Die Spule 44 ist mit den Brückenklemmen A-B verbunden, und die Spule 45 ist mit den Brückenklemmen B-C verbunden, wie es in der Fig. 4d dargestellt ist, in welcher auch die entsprechenden Pfeile I für die relative Stromrichtung dargestellt sind. Es ist somit ersichtlich, daß dann, wenn die Spulen unter einer Diskontinuität vorbeigeführt werden, welche um den Umfang eines in der Prüfung befindlichen Rohres herum symmetrisch ist, das in einer Spule erzeugte Signal durch das Signal ausgeglichen wird, welches in der anderen Spule erzeugt wird, so daß die ■■ symmetrische Diskontinuität im Endeffekt nicht sichtbar ist.

Die in der Fig. 5 dargestellte Spulenanordnung 51 weist eine Anzahl von Paaren keilförmig ausgebildeter.Kerne auf, auf denen jeweils eine Spule gewickelt ist. Vier Kerne 52, 53» 54 und sind mit ihren entsprechenden Wicklungen 56, 57» 58 und 59 dargestellt, und die relative Stromrichtung wird durch die Pfeile I angegeben. Diese Anordnung vermindert die Ausbreitung des Magnetfeldes in dem Rohr,· welches geprüft wird, so daß dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird und auch die Federbelastung der Spulen gegen die Rohrwand verbessert wird. Die

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Fig. 5c und 5d geben zwei mögliche Methoden der Verbindung der Spulen in einer Impedanzbrückenschaltung an. In der Fig. 5ä. sind zwei Faare von Spulen 59 mit 57 und 58 mit 56 in Reihe jeweils an die Klemmen A-B bzw. B-C angeschlossen. In der Fig. 5© ist eine Spule jeweils an die Zweige der Brücke angeschlossen, so daß die Spule 59 zxvischen den Klemmen A-B liegt, die Spule 58 zwisehen den Klemmen B-C liegt, die Spule 57 zwisehen den Klemmen C-D liegt und die Spule 56 zwischen den Klemmen D-A. angeordnet ist. Diese Spulenanordnung hat den zusätzlichen Vorteil, daß die "Schlag"-Wirkung, d. h. die durch mangelnde Zentrierung der Sonde innerhalb des Rohres hervorgerufene Wirkung, automatisch kompensiert wird, da die einander diametral gegenüber angeordneten Spulen sich gegenseitig kompensieren.

Die Spulenanordnung 61 gemäß Fig. 6 hat ein erstes Paar von D-förmigen Kernen 62 und 63 mit entsprechenden identischen Spulen 64 und 65 wie in der Fig. 4. Zusätzlich ist ein zweites Paar von D-förmigen Kernen 66 und 67 mit entsprechenden Spulen 68 und 69 in einer parallelen Ebene benachbart zu dem ersten Paar von Kernen 62 und 63 angeordnet, jedoch um 90° gedreht. Die relativen Sts?omrichtungen sind in der Fig_o 6c und 6d durch Pfeile I angegeben, und die Verbindungen zwischen den Spulen mit den Klemmen A, B und G sind in der Fig» 6e dargestellt. Diese Spulenanordnung liefert eine vollständige Überlappung zwischen den zwei Spulenpaaren, so daß vollständig ausgeschlossen "^irdc, daß folgende Fälle nicht erkannt Werdens 1} si-iTs Störung oder Fehlstelle wie ein Sprung oder EIS in e".:iera Sehr, dsr symmetrisch in bezug auf die Ebene zwischen C-511 "beiden B=;?örmigszi Esrzisn .ismäß 2?ig_o M- angeordnet ist

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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist gemäß Fig. 7 ein erstes Faar von keilförmigen Kernen 72 und 73 vorgesehen, die einen Winkel von mehr als 90 haben und einander diagonal gegenüber angeordnet sind, wobei die Spule 74- bzw. 75 gemäß der Darstellung in der Fig. 7c gewickelt sind. Ein zweites Faar von identischen keilförmigen Kernen 76 und 77 sind in einer Ebene parallel und benachbart zu dem ersten Paar von Kernen angeordnet, jedoch um 90° in bezug auf die ersten Kerne gedreht. Spulen 78 und 79» die auf dem zweiten Paar von Kernen 76 bzw. 77 gewickelt sind, sind in der Fig. 7d dargestellt. Diese Spulen können dann gemäß Fig. 7e mit den Brückenklemmen verbunden werden. Diese Anordnung hat dieselben Vorteile wie die Anordnung gemäß Fig. 6, und zusätzlich dazu, daß jede Spule einen kleineren Winkel des Umfanges des Rohres überdeckt, wird ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht.

Eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, welche insbesondere zur Prüfung von Rohren Anwendung findet, die an drei Umfangsstellen gelagert sind, beispielsweise durch Räumplatten, ist in der Fig. 8 dargestellt. Die Spulenanordnung 81 weist ein erstes Paar von keilförmigen Kernen 82 und 83 auf, die sich jeweils über einen Winkel von etwa 120° erstrecken und so angeordnet sind, daß der Rand des Kerns 82 benachbart zu dem Kern 83 liegt, wie es in der Fig. 8c veranschaulicht ist. Auf jeden Kern ist eine Spule 84 bzw. 85 aufgewickelt. Ein weiteres Paar von keilförmigen Kernen 86 und 87, die sich jeweils

über einen Winkel von etwa 120° erstrecken, und einen Rand des Kerns 86 benachbart zu einem Rand des Kerns 87 haben, sind entlang derselben Achse wie die Kerne 82 und 83 angeordnet, jedoch derart gedreht, daß die Kerne 83 und 87 benachbart zueinander angeordnet sind. Auf die Kerne 86 und 87 sind weiterhin Spulen 88 bzw. 89 aufgewickelt, wie es in der Fig. 8d dargestellt

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ist« Die Spulen sind paarweise miteinander verbunden, so daß Paare 84 und 88 sowie 87 und 85 gebildet sind, die jeweils zwischen den Klemmen A-B und B-C der Brücke angeordnet sind.

Zur Verwendung mit einem Sende-Empfangs-Wirbelstrominstrument können die Spulenanordnungen, i\rie sie oben anhand der B¹Xg. 4 bis 8 beschrieben wurden, mit bestimmten Modifikationen verwendet werden. Ein Beispiel dieses Typs einer Anordnung ist in der Fig. 9 veranschaulicht. Die Spulenanordnung 91 weist zwei D-förmige !lerne 92 und 93 auf, wobei jeder Kern eine Aufnahmespule 9^ hat, die gemäß Fig. 9b und 9c darauf gewickelt ist. Weiterhin haben die Kerne 92, 93 Nuten 96 und 97, die auf jeder Seite der Aufnahmespulen angeordnet sind und in welchen Erregungsspulen 95 und 99 gemäß Fig. 9d gewickelt sind. Die Erregungsspulen 98 und 99 sind in Reihe an eine Wechselspannungsquelle gelegt, UT ein magnetisches Wechselfeld innerhalb der Rohrwände aufzubauen. Die Aufnahmespulen 9^ und 95 sind zwischen den Eingängen eines Differenzverstärker-Detektora 100 und der Masse derart angeordnet, daß das Signal von der Spule 94- das Signal von der Spule 95 ausgleicht, wenn das Rohr oder eine andere 'Trägerstruktur symmetrisch angeordnet ist. Der Detektor 100 ermittelt somit erst dann ein Signal von den Spulen 94- und 95» wenn ein lokalisierter Fehler fortbesteht.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

ι/ 1. Meßsonde zur zerstörungsfreien Prüfung eines Rohres auf

^v Fehlstellen unter Verwendung einer WechselSpannungsquelle

und einer Signalmeßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spulenanordnung innerhalb eines Sondengehäuses vorgesehen ist, welches frei entlang seiner Achse innerhalt) des Rohres "bewegbar ist, daß die Spulenanordnung eine Anzahl von Spulenpaaren aufweist und daß jedes Spulenpaar symmetrisch im Hinblick auf seine Spulen in einer Ebene senkrecht zu der Achse des Gehäuses angeordnet ist.

2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung ein Paar von identischen Spulen aufweist und daß jede Spule auf einen D-förmigen Kern gewickelt ist.

3. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung eine Anzahl N von Spulenpaaren aufweist, wobei N = 1, 2, 3, 4 ..., daß jede Spule auf einen keilförmigen Kern gewickelt.ist, daß jeder Kern einen Winkel von 360 /2IT überdeckt und daß die Kerne weiterhin symmetrisch in bezug auf die Gehäuseachse in einer einzigen Ebene angeordnet sind,

4. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung eine gerade Anzahl 2h von Spulenpaaren aufweist, wobei M = 1, 2, 3 ···> daß jede Spule auf einen keilförmigen Kern gewickelt ist, der einen Winkel von wenigstens 36O°/2M überdeckt, daB H Paare τοπ liernsn symmetrisch in oe3ii.;_; auf die Gehäuseachse in einer s^stsn Sb<3H3 angeordnet sial und daß M Paare von Keimen sy smells ch in "bezug auf die Geiiäuseachse in einer z'-ieiten ZSbe&s "benachbart zu der srs^sK Ebene angeordnet Binde

Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung weiterhin eine Umfangsspule aufweist, welche symmetrisch in bezug auf die Gehäuseachse auf jeder Seite der Spulenpaare angeordnet ist.

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