DE2659073C3

DE2659073C3 - Wirbelstrommeßverfahren und -vorrichtung zu Priifzwecken

Info

Publication number: DE2659073C3
Application number: DE2659073A
Authority: DE
Inventors: Gordon Ralph Livonia Mich. Brown (V.St.A.)
Original assignee: Kj Law Engineers Inc Farmington Hills Mich (vsta)
Current assignee: Kj Law Engineers Inc Farmington Hills Mich (vsta)
Priority date: 1975-12-29
Filing date: 1976-12-27
Publication date: 1980-09-11
Also published as: DE2659073B2; JPS5283267A; US4095180A; DE2659073A1; GB1572034A; CA1056915A; FR2337340B1; FR2337340A1; JPS5528026B2

Description

14, dadurch gekennzeichnet daß die Phasendifferenz-Feststelleinrichtung (46) durch ein Exklusiv-Oder-Gatter gebildet wird, dem Schaltverstärker (40, 44) des Prüfsignals und des Bezugssignals vorgeschaltet sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis

15, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzänderungseinrichtung einen spannungsgesteuerten Oszillator (58) aufweist der das periodische Signal mit einer Frequenz abgibt, die von dem Phasendifferenzsignal gesteuert wird.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektrischen Messung einer Materialeigenschaft wie der Leitfähigkeit, der Permeabilität, der Materialdicke, der Riß- und Lunkerfreiheit u. dgl. von Prüflingen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung der Messung.

Die Leitfähigkeitsmessung durch induzierten Wirbelstrom unterliegt mannigfaltigen Fehlereinflüssen, und es ist bereits versucht worden, diese Fehler zu kompensieren (GB-PS 10 01 379). Bei diesem bekannten Gerät ist eine Sendespule, eine Signalquelle und mindestens eine Empfangsspule, ferner ein Meßverstärker und ein Phasen- und Amplitudendetektor vorgesehen, die im zyklischen Betrieb beaufschlagt werden. In einer vorläufigen Einstellperiode wird der Verstärker mit einer Spannung in Phase mit dem durch die Sendespule fließenden Strom beaufschlagt, dann wird das Phasenverhältnis dieser Spannung mit Bezug auf eine erste, an dem Phasen- und Amplitudendetektor anliegende Spannung geändert, um Phasenmodifikationen, die durch den tatsächlichen Verstärker produziert werden, auszugleichen, und dann wird während einer Meßperiode unter Speicherung der vorhergehenden Einstellung das an der Empfangswicklung empfangene Signal angelegt, während der Detektor an einer zweiten Schaltspannung liegt, die um 90° mit Bezug auf die frühere Schaltspannung phasenverschoben ist. Durch dieses Verfahren werden jedoch lediglich Fehlereinflüsse beseitigt, die von Teilen der Meßapparatur stammen, jedoch werden viele Einflüsse im Zusammenhang mit der induktiven Kopplung zwischen der Spule und dem Prüfling nicht erfaßt.

In der Praxis verwcnucit Leitfähigkeitsmeßgeräte, die nach dem Prinzip des Wirbelstroms arbeiten, messen die Amplitude des sekundären magnetischen Feldes, welches von der oder den Empfangsspulen aufgenommen wird. Beispielsweise kann diese Empfangsspule in eine Meßbrücke einbezogen sein, deren Widerstandszweige dann so geändert werden, bis die Brücke abgeglichen ist. Die Amplitude der induzierten Spannung in der Empfängerspule hängt aber von der Erregerfrequenz und der induktiven Kopplung zwischen den Spulen und dem Prüfling ab.

Die Genauigkeit der M essung hängt demnach von der Konstanz der Erregerfrequenz und der eingehaltenen Abstände ab. Bei Serienmessungen vieler Prüflinge lassen sich diese Voraussetzungen nur schwer erfüllen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ι Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrischen Messung einer Materialeigenschaft wie der Leitfähigkeit, der Permeabilität, der Materialdicke, der Riß- und Lunkerfreiheit u.dgl. von Prüflingen zu schaffen, welches nicht auf der Messung der Amplitude des sekundären magnetischen Feldes beruht und daher hinsichtlich der Konstanz der Erregerfrequenz jnd der iCopplungsabstände nicht empfindlich ist.

Und die gestellte Aufgabe wird aufgrund der Maßnahmen des Hauptanspruches gelöst Die Unteran-Sprüche betreffen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Von besonderem Vorteil ist es, daß die Leitfähigkeit proportional zu der Periode einer für den Prüfling spezifischen Prüffrequenz ist, woraus eine lineare Einteilung der Ableseskala folgt. Da die Messung hinsichtlich der induktiven Kopplung zwischen den Spulen vnd dem Prüfling unempfindlich ist, ist das erfindungsgemäße Verfahren auch auf Prüflinge mit nichtebenem Umriß oder mit rauher Oberfläche anwendbar. Dies gilt auch für Prüflinge mit einer Schutzschicht aus Farbe oder Kunststoff. Für die Messung braucht kein Fachpersonal eingesetzt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. Vorrichtung kann die gemessene Materialeigenschaft, z. B. Leitfähigkeit, in Potenzen einer gewählten Norm angegeben werden, beispielsweise der »International Annealed Copper Standard (% IACS)«. Es isi möglich, Leitfähigkeitsmessungen bis zu 1% IACS Genauigkeit und 0,1 % IACS Auflösung zu liefern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltung,

Fig. 2 ein Vektordiagramm zur Darstellung der Impedanzeigenschaften eines Prüflings und

F i g. 3 ein Polarvektordiagramm zur Erläuterung des Prinzips und der Wirkungsweise der Erfindung.

Wie in F i g. 1 dargestellt, sind eine Sendespule 20 und zwei Empfängerspulen 22,24 in enger Nachbarschaft zu einem Prüfling 26 angeordnet. Über einen Leiter 28 erhält die Sendespule 20 als Erregerstrom ein periodisches Signal und Wirbelströme werden in dem Prüfling 26 unter anderem als Funktion der Leitfähigkeit induziert. Die Empfängerspulen 22 und 24 sind mit Bezug auf die Sendespule 20 kompensiert angeordnet, d. h., miteinander in solcher Weise verbunden, daß zwischen einer Ausgangsleitung 30 und einer gemeinsamen Erdleitung 32 eine Differenzspannung erhalten wird, bei der sich die induzierten Spannungen der Sendespule 20 aufheben, nicht jedoch die induzierten Spannungen infolge der Wirbelströme im Prüfling 26. Die Differenzspannung stellt somit das Prüfsignal dar, welches kennzeichnend für den Prüfling 26 ist.

Das Prüfsignal wird einem Integrator aus einem Widerstand 34, einem Verstärker 36 und einem Kondensator 38 zugeführt, welcher ein »integriertes« Prüfsignal erzeugt. Das integrierte Prüfsignal wird einem Schaltverstärker 40 zugeführt, der daraus ein Rechteckwellensignal der jeweiligen Erregerfrequenz

bildet, welches jedoch um 90° mit Bezug auf das unmittelbare Prüfsignal verschoben ist. Die Sendespule 20 ist über einen Widerstand 42 mit Erde 32 verbunden, an dem eine Spannung abfällt, die an dem Eingang eines weiteren Schaltverstärker 44 anliegt, an dessen Ausgang ein Rechteckwellensignal mit der jeweiligen Erregerfrequi. η ζ und einem Phasenwinkel entsprechend dem periodischen Signal abgegeben wird, das als Bezugssignal dient.

Die Ausgangssignale der Schaltverstärker 40, 44 sind mit den jeweiligen Eingangsleitungen einer Phasendifferenz-Feststelleinrichtung verbunden bestehend aus einem Exklusiv-Oder-Gatter 46, dessen Ausgang über die Serienschaltung eines Widerstandes 48 und eines Kondensators 50 mit Erde 32 verbunden ist. Die Ausgangsspannung des Exklusiv-Oder-Gatters 46 ist niedrig oder eine logische Null, wenn die jeweiligen Phasen der Ausgangssignale der Verstärker 40, 44 gleich sind (hoch oder niedrig), und die Ausgangsspannung ist hoch oder eine logische Eins, wenn die jeweiligen Phasen der Ausgangssignale der Verstärker 40, 44 unterschiedlich sind. Der Widerstand 48 und der Kondensator 50 wirken als Tiefpaß-Filter und glätten das über dem Kondensator liegende Gleichstrom-Phasendifferenzsignal, dessen Amplitude proportional zum Tastverhältnis des Ausgangssignals des Gatters 46 ist und daher proportional zur Phasendifferenz des Bezugssignals und des Prüfsignals, wie diese durch die Ausgangssignale der jeweiligen Verstärker 40, 44 repräsentiert werden. Das Gleichstrom-Phasendifferenzsignal wird dem einen Eingang einer Vergleichseinrichtung 52 zugeführt, an dessen anderem Eingang ein Gleichstrom-Bezugssignal anliegt, welches von dem mittleren Verbindungspunkt eines Spannungsteilers zwischen Widerständen 54 und 56 entnommen wird, die zwischen einer Spannungsquelle V+ und Erde 32 liegen. Der Widerstand 56 ist einstellbar, um eine Faktor-Voreinstellung für das Gleichstrom-Bezugssignal auf einen vorgewählten Pegel zu schaffen, der repräsentativ für eine vorbestimmte Phasendifferenz zwischen dem Bezugssignal und dem Prüfsignal ist. Die Wahl des Pegels wird später erläutert.

Die Ausgangsspannung des Vergleichers 52 ist von Null verschieden, wenn das Gleichstrom-Phasendifferenzsignal und das Gleichstrom-Bezugssignal voneinander abweichen, und es wird zur Frequenzsteuerung eines spannungsgesteuerten Oszillators 58 verwendet, der an seinen Ausgängen 60, 62 die Prüffrequenz bzw. das periodische Signal abgibt. Das periodische Signal kann eine Sinusform aufweisen, auch Impulssignale sind brauchbar und werden, da mit weniger Aufwand erzeugt, bevorzugt verwendet. Das periodische Signal (60) gelangt über die Leitung 28 zur Sendespule 20. Die bisher beschriebene Vorrichtung stellt einen Regelkreis dar, der die Frequenz des periodischen Signals solange verändert, bis eine spezielle Prüffrequenz erreicht ist

Die Prüffrequenz des Oszillators wird an einen Frequenzteiler 64 gegeben, welcher erstens die Prüffrequenz um einen vorgewählten Maßstabsfaktor dividiert und gleichzeitig die Auswirkung von Rauschen und Signalflackern auf die Ausgangssignalwiedergabe verringert und zweitens die Prüffrequenz um den Faktor zwei teilt. Es werden so kennzeichnende Werte von Meßperioden erhalten, die auf die zu messende Materialeigenschaft (Leitfähigkeit) umgerechnet werden und niederfrequente Impulszüge darstellen. Diese Impulszüge schalten ein Und-Gatter 66 abwechselnd während einer Meßperiode durchlässig, so daß die Impulse eines Referenz-Oszillators 68 zu einem Zähle 70 gelangen können. Auf diese Weise wird die zeitlicht Länge der Meßperiode als eine bestimmte Anzahl vor Impulsen des Oszillators 68 bestimmt, dividiert, um der

■-> Maßstabsfaktor. Dem Zähler 70 ist eine siebenstellig« Wiedergabeeinrichtung 72 zugeordnet, um eine digitale Ablesung als Funktion der Meßperiode zu liefern.

Nachfolgend wird erläuert, warum die Meßperiod« ein Maß der Materialeigenschaft des Prüflings 26 ist

ίο Der in der Sendespule 20 fließende Strom kann durcr folgende Gleichung ausgedrückt werden:

= / sin <nt

1-5 Dabei ist die Erregerfrequenz ausgedrückt in rad/s Obzwar dreieckförmige Impulse aus wirtschaftlicher Gründen gegenüber einer reinen Sinuswelle bevorzugt werden, wurde festgestellt, daß dies zu keiner merklichen Unterschieden in den Ergebnissen führt. Die theoretischen Berechnungen wurden ursprünglich aul die Erregung mit sinusförmigem Erregerstrom konzipiert und werden auch weiterhin für alle praktischer Zwecke für brauchbar gehalten. Der in dem Prüfling 26 induzierte Strom kann wie folgt ausgedrückt werden:

'·' M₂DiII, I

Ri,, + j'

I'll

Dabei stellen R₂b und Ln, den Widerstand bzw. die

ίο Induktivität des Prüflings 26 dar, Λί₂ο/26 ist die gegenseitige Induktanz oder die Kopplung zwischen der Spule 20 und dem Prüfling 26, und j ist der imaginäre Einheitsvektor gleich der Quadratwurzel von — 1. Unter Bezugnahme auf F i g. 2, die ein Vektordiagramm für das

3-, Impedanzverhalten des Prüflings 26 darstellt, isi folgendes ersichtlich:

= arc tan --—--- .
K₂₁,

Nach geeigneter Faktorumwandlung und Substitution kann die Gleichung (2) überführt werden auf:

_/l(i = -'"-" _cos ,,„, _ 0) (4)

" rKÜ+(Lf

Das Prüfsignal, d. h., die in den Spulen 22, 24 induzierte Spannung zwischen der Leitung 30 und Erde 32, kann wie folgt ausgedrückt werden:

Y RL·

_φ)

Dabei ist M26/22.24 die gegenseitige Induktanz oder Kopplung zwischen dem Prüfling 26 und den Spulen 22, 24. Obzwar die durch die Gleichung (5) ausgedrückte Spannung für Zwecke der Leitfähigkeitsanalyse verwendet werden kann, wird darauf hingewiesen, daß die

bo Amplitude dieses Ausdrucks mit der Erregerfrequenz (ω) sich ändert Um den dynamischen Bereich des Schaltverstärkers, der Phasendifferenz-Feststelleinrichtung 46 usw. zu verringern, wird die in Gleichung (5) ausgedrückte Spannung vom Verstärker 36 integriert

_b5 und folgendes erhalten:

cost™/ - 0). (6)

(f.. L_lttY

Wenn versucht werden würde, eine Leitfähigkeitsmessung durch Vergleich der Amplituden der Gleichungen (1) und (6) zu erhalten, müßten die Frequenz (ω) und die gegenseitige Kopplung zwischen dem Prüfling und den Spulen, d. h., JW20/26 und M2bm.u konstant gehalten werden. Dies ist in der Praxis schwierig zu erreichen, insbesondere wenn die Spulen als mit der Hand zu haltende Sonde ausgebildet werden müssen und die gegenseitige Kopplung zwischen den Spulen und dem Prüfling stark mit der Oberflächenkontur, der Oberfiächenbeschichtung oder der Sondenorientierung sich ändern können. Aus den Gleichungen (1) und (6) ist aber ersichtlich, daß wenn der Erregerstrom /20 mit sin ωί sich ändert, sich die integrierte Spannung eje, der Empfängerspule mit cos (ωί-Φ) ändert. Wenn der Prüfling 26 aus einem Nicht-Eisen-Metall besteht, d. h., die relative Permeabilität gleich Eins ist, und wenn der Prüfung im Bereich der Sonde genügend groß ist, kann die Induktanz des Prüflings 26 (Lib) als eine geometrische Konstante angesehen werden oder anders ausgedrückt, die Induktanz des Prüflings kann für Testproben mit mindestens einer vorbestimmten minimalen Größe als konstant angesehen werden. Im großen und ganzen hängen die minimale Oberflächengröße und die Tiefenabmessung des Prüflings, für welche die obige Annahme zutreffend ist, von den Spulendurchmessern und der Erregerfrequenz ab. Wenn die Spulen ungefähr einen halbzölligen Durchmesser aufweisen und der Erregerstrom im Bereich von 5 bis 250 Kilohertz gewählt wird, ist die minimale Prüflingsgröße ungefähr 1 Zoll Durchmesser auf ein Zehntel Zoll Dicke. Das Verfahren der richtigen Auswahl des Frequenzbereiches wird später erläutert.

Wenn L_2b als Konstante angesehen werden kann, reduziert sich die Gleichung (3) wie folgt:

tan

Wenn der Phasenwinkel, bei dem die Messung auszuführen ist, vorgewählt und konstant gehalten wird, vereinfacht sich die Gleichung (7) noch weiter:

Dabei ist /£' eine Konstante gleich tan Φ/2 π L_2b. Wenn die Frequenz f auf die Periode T und der Widerstandswert R_2b auf die Leitfähigkeit C_2b umgeschrieben wird, nimmt die Gleichung (8) folgende Form an:

G₂₁, = KT. (9)

Dabei ist K gleich IO mal einem Faktor, der mit dem Wirbelstromweg in dem Material in Beziehung steht, welcher wie zuvor erläutert als konstant angenommen wird, wenn der Prüfling eine vorbestimmte minimale Größe und Gestalt aufweist. Daher ist die Leitfähigkeit des Materials 26 eine lineare Funktion der Erregungsperiode 7"bei einem vorgewählten Phasenwinkel Φ.

Die Annahme, daß die Prüflingsinduktanz L_2b konstant ist, gilt für Abstandsschwankungen der Spule/Prüfling in der Größenordnung von zehn Prozent des Spulendurchmessers. Dadurch wird der Einsatz des Geräts auch für unebene Oberflächen, beispielsweise der Außenwand eines Zylinders und durch Materialbeschichtungen veränderte Oberflächen ermöglicht. Unempfindlichkeit gegenüber kleinen Lageveränderungen der Sonde macht die Prüfung mit einer von Hand zu haltenden Sonde genauer und zuverlässiger.

Fig. 3 stellt ein Polardiagramm dar und zeigt das Verhältnis zwischen der integrierten Spulenspannung e_J6 und dem induzierten Strom /20 für Nicht-Eisen-Materialien der zuvor erwähnten vorbestimmten Größe und Gestalt. Die Kurve 80 ist der geometrische Ort des Endpunktes des Spannungsvektors ey_b gemäß Gleichung (6), wenn die Frequenz ω von Null (Punkt 82) nach unendlich (84) streicht. Der Phasenwinkel Φ wird in dem zweiten Quadranten zwischen dem Vektor ej_b und der Horizontalen gemessen; daher ist der Vektor e}_b dem Vektor Z₂₀ um einen Winkel (90° - Φ) verschoben.

Aus Gleichung (9) ist ersichtlich, daß die höchste Frequenz (1/7} bei welcher das Gerät arbeiten muß, von der niedrigsten zu messenden Leitfähigkeit abhängt. Der Frequenzbereich des Geräts wird von den elektronischen Bauteilen bestimmt, die in dem Gerät verwendet werden. In einer ausgeführten Ausführungsform der Erfindung, die zwei Prozent bis einhundert Prozent IACS Leitfähigkeit mißt, wurde ein Frequenzbereich von 5 bis 250 Kilohertz ausgewählt. Der gewünschte prozentuale Leitfähigkeitsbereich und der Frequenzbereich des Oszillators 58 bestimmen die Frequenz des Referenzoszillators 68 und den Teilungsfaktor des Teilers 64. Wenn es demnach erwünscht ist, am Sichtgerät 72 eine Wiedergabe von 100,0 für 100% IACS Leitfähigkeit bei einer Frequenz von 5 Kilohertz des Oszillators 58 und eine Wiedergabe von 2,0 bei einer Frequenz von 250 Kilohertz zu haben, ist ein passender Teilungsfaktor gleich 2048 (d. h„ ein Maßstabsfaktor von 1024, gefolgt von einem zusätzlichen Faktor von 2), und für diese Werte würde der Referenzoszillator 68 auf eine Frequenz von 4883 Kilohertz gesetzt werden.

Wenn der Teiler 64 die Frequenz des Oszillatorausgangssignals 62 durch das Doppelte eines gewählten Maßstabsfaktors teilt, ist der in der Wiedergabeeinrichtung 72 ersichtliche Zählstand gleich dem Maßstabsfaktor multipliziert mit dem Verhältnis aus Referenzoszillator Frequenz 68 geteilt durch gesteuerte Oszillatorfrequenz 58. Die prozentuale Leitfähigkeit ist gleich der erwünschten prozentualen Auflösung, in der offenbarten Ausführungsform 0,1%, mal der Zahl in der Wiedergabevorrichtung 72.

Sobald der Maßstabsfaktor des Teilers 64 und die Frequenz des Oszillators 68 bestimmt worden sind, wie zuvor beschrieben, kann der Widerstand 56 empirisch im Hinblick auf das gewünschte Gleichstrom-Bezugssignal wie folgt eingestellt werden. Das System wird unter Spannung genommen und die Spulen 20, 22 und 24 werden in die Nähe von Testmaierial bekannter Leitfähigkeit gehalten, beispielsweise von !00% IACS. Das Meßgerät wird dann dadurch kalibriert, daß der Widerstand 56 so lange verstellt wird, bis die Wiedergabevorrichtung 72 die bekannte Leitfähigkeitsprozentzahl anzeigt, in diesem Fall 100. Wenn die Induktanz L_2b des Prüflings bekannt ist, kann der erwünschte Phasenwinkel Φ analytisch aus der Gleichung (7) für eine spezielle Frequenz ω und eine Leitfähigkeit \/R_2b bestimmt werden. Für die beschriebene Ausführungsform mit einem Frequenzbereich von 5 bis 250 Kilohertz und einem Meßbereich von 2 bis 100% IACS war der Phasenwinkel Φ nach Kalibrierung des Geräts ungefähr 74°. Der Widerstandswert 56 kann dann allgemein bestimmt werden, da die Bezugsspannung des Vergleichers 52 gleich (90° -Φ)/180° oder im gegebenen Beispiel 16°/180° multipliziert mit der

Versorgungsspannung beträgt Selbst wenn der Phasenwinkel Φ analytisch bestimmt wird, ist es jedoch vorteilhaft, den durch den Widerstand 56 eingeführten Faktor einstellbar zu machen, um die Versorgungsspannung und Toleranzen der Betriebsschaltung, Betriebsschwankungen und dergleichen zu kompensieren.

In der vorhergehenden Beschreibung ist angenommen worden, daß die Kalibrierung und die Testmessungen usw. bei der IACS Standardtemperatur von 20⁰C ausgeführt worden sind. Die Erfindung ist aber auch bei anderen Temperaturen als die Standardtemperaturen gut einsetzbar. Die Bedienungsperson kann die gemessene Leitfähigkeit zur Leitfähigkeit bei der Standardtemperatur nach der folgenden bekannten Gleichung umrechnen:

= G₁₁

I T).

Dabei stellt G_s die Leitfähigkeit bei der Standardtemperatur (2O⁰C), G_m die gemessene Leitfähigkeit, <x den Koeffizienten der Änderung der Leitfähigkeit gegenüber der Temperatur des jeweiligen Prüflings dar und ist für die meisten Materialien bekannt und Δ T ist die Abweichung der Meßtemperatur gegenüber der Standardtemperatur. Wenn nur ein Materia! gemessen wird und wenn die Messung immer mit der gleichen Temperatur ausgeführt wird, können die Instrumente offenbar neu justiert werden, um Temperaturdifferenzen zu kompensieren. Wenn nur ein Material gemessen wird, aber zu unterschiedlichen Temperaturen, kann eine geeignete Temperaturkompensationsschaltung in das Meßgerät einbezogen werden. Wenn die größte Einsatzvielfalt mit Bezug auf Material und Temperatur gefordert wird, kann die erwähnte Temperatur kompensationsschaltung in der Weise operatorprogrammierbar sein, daß der Temperaturkoeffizient eines speziellen Materials eingegeben werden kann, und daß das Meßgerät eine Leitfähigkeitsmessung liefert, welche automatisch auf Normtemperatur kompensiert ist.

Aus der vorgehenden Beschreibung folgt, daß das beschriebene Leitfähigkeitsmeßgerät die gestellte Aufgabe löst und die angegebenen Vorteile aufweist. Obzwar die Erfindung in Verbindung mit einer speziellen Ausführungsform beschrieben worden ist, versteht es sich, daß Modifikationen und Änderungen dem Fachmann ohne weiteres gelingen. Beispielsweise war aus erläuterten Gründen angenommen worden, daß die Induktanz des Prüflings 26 als eine Konstante für einen Prüfling oberhalb einer minimalen Größe betrachtet werden kann. Die Erfindung kann aber auch bei Materialproben von kleinerer ais der minimalen Größe benutzt werden, indem lediglich das Instrument auf die tatsächliche Probe der gewünschten Größe mit einer bekannten Leitfähigkeit einjustiert oder geeicht wird. Das Gerät kann dann zwar nur für Proben dieser Größe verwendet werden, es werden aber weiterhin genaue Ergebnisse erzielt, da die Proben-Leitfähigkeit weiterhin ein linearer Faktor der Periode ist. Lediglich die Konstante K der Gleichung (9) hat sich verändert. Das Instrument kann natürlich jederzeit für Proben oberhalb der minimalen Größe neu eingestellt werden.

In der beschriebenen Ausführungsform eier Erfindung wurde der Bezugsphasenwinkel Φ faktormäßig geeicht, indem das Eingangssignal des Vergleichers 52 eingestellt wurde. Da der Phasenwinkel und die Frequenz in direkter Beziehung gemäß Gleichung (7) stehen, könnte das Gleichstrom-Bezugssignal des Vergleichers 52 durch vorgegebene Widerstände oder dergleichen festgelegt werden, und das Instrument könnte durch Einstellung der Frequenz der Oszillatoren 58 oder 68 kalibriert oder »feinjustiert« werden, um eine spezielle Wiedergabe einer Materialprobe bekannter Leitfähigkeit zu erzielen. Meßgeräte, bei denen dieses Einstellungsverfahren verwende: wird, hätten aber unterschiedliche Ausgangssignale vom Oszillator 58 und dem Teiler 64 für Materialien der gleichen Leitfähigkeit. Aus Gründen der Standardisierung wird das in Verbindung mit F i g. 1 beschriebene Kalibrierverfahren bevorzugt.

Der offenbarte Maßstabsfaktor von 1024 ist deshalb so passend, weil Frequenzteiler des Zweifachen dieser Zahl, d. h., 2048, leicht verfügbar sind. Aus der vorstehenden Erörterung ist jedoch ersichtlich, daß andere Maßstabsfaktoren und/oder Bezugsoszillatorfrequenzen gegebenenfalls benutzt werden können. Ferner ist ersichtlich, daß der Frequenzteiler 64 fortgelassen und die Frequenz des Oszillators 68 entsprechend vergrößert werden könnte. Dabei wird allerdings der nützliche Filtereffekt des Teilers 64 außer acht gelassen, der sonst bei der Beseitigung von Rauschen und Wiedergabezittern behilflich ist, und deshalb wird eine solche Schaltung nicht bevorzugt. Ferner ist ersichtlich, daß der Anzeigezähler 70 mit größerem Aufwand ausgebildet sein kann, um mehrere Zählpegel niedriger Ordnung einzuschließen, wobei die Wiedergabeeinrichtung 72 nur mit den vier höchstwertigen Digits verbunden ist. Solche ein »ausgedehnter« Wiedergabezahler würde die Funktionen beider Teiler 64 und des Zählers 70 der F i g. 1 miteinander kombinieren und würde ebenfalls Rauschen und Wiedergabeflimmern usw. verringern.

Die spezielle, in F i g. 1 dargestellte Wiedergabevorrichtung 72 ist vierstellig, die eine genaue Ablesung aufgelöst bis zur dritten dezimalen Stelle liefert, d. h.. bis 0,1% IACS. Wenn eine größere oder geringere Leitfähigkeitsauflösung erforderlich ist. würden natürlich mehr oder weniger Wiedergabestellen vorgesehen sein. Die Gesamtgenauigkeil des Instruments und des offenbarten Verfahrens schwankt mit der Qualität der verwendeten Bauteile usw. Da jedoch eine digitale und nicht eine Analogteehnik soweit wie möglich verwendet wurde und weil das offenbarte Verfahren die Notwendigkeit für nicht lineare Kalibriereinsiellungen vermeidet, kann eine Instrumentengenauigkeit in der Größenordnung von 1% unter Verwendung genormter billiger Bauteile erzielt werden. Das beschriebene Verfahren und Meßgerät ist speziell zur Lieferung der Leitfähigkeitsmessungen in % IACS eingerichtet. Es ist jedoch ersichtlich, daß das Verfahren und das Meßgerät ebenfalls zur Lieferung der Leitfähigkeitsmessungen in Prozentwerten einer anderen Norm einstellbar is'.. beispielsweise auf den Normwert von reinem Kupfer, was ungefähr 103% der entsprechenden IACS Meßwerte entspricht.

In der speziellen beschriebenen Ausführungsform erscheinen die induzierenden und induzierten Signale in getrennten Spulen, d. h., in der Spule 20 und in differentiell geschalteten Spulen 22 bzw. 24. Es ist jedoch ersichtlich, daß die Erfindung auch mit geringer oder keiner Modifikation in Verbindung mit anderen Arten von Wirbelstrom-Prüfspulschaltungen bekannter Art Verwendung finden kann. Beispielsweise kann das induzierende und das induzierte Signal als getrennte Funktionen des Stromes und der Spannung in einer einzelnen Spule abgetastet werden, die in der Nähe des Prüflings angeordnet ist und die sowohl als Sendespule als auch als Empfängerspule dient. In dieser Lage kann

die einzelne Spule durch eine Konstantstromquelle betrieben werden, so daß die Spannung an der Spule als Funktion der Wirbelströme in dem Prüfling sich ändert, während der Strom durch den Prüfling nicht beeinflußt wird. Auch andere Anordnungen können verwendet werden, so daß der Wirbelstromeffeki zum Phasenvergleich gegenüber einem Bezugswert isoliert werden kann.

Brauchbare Anzeigen einer Charakteristik eines Prüflings können auch durch Anwendung der Differenzvergleichtechnik erhalten werden, wenn ein Wirbelstromtestsignal von einer ersten Testspule, die einem ersten unbekannten Testobjekt zugeordnet ist, mit dem Wirbelstromtestsignal einer zweiten Testspule verglichen wird, die einem bekannten oder Norm-Test Objekt zugeordnet ist.

Wie aus anderen Wirbelstrom-Testverfahren bekannt, können die erste und zweite Spule von einer gemeinsamen Quelle aus betrieben werden. Die Quellenfrequenz kann dann so lange variiert werden, bis die beiden Testsignale eine vorbestimmte Phasenbeziehung zueinander aufweisen und dann wird die Charakteristik, beispielsweise die Leitfähigkeit, als Funktion dieser Frequenz oder Periode des Quellensignals bestimmt, mit welcher der vorbestimmte Phasenwinkel erzielt wird. Natürlich wird in dieser Lage das Prüfsignal von dem bekannten oder Norm-Testobjekt als Referenzsignal zum Vergleich gegenüber dem Testsignal des unbekannten Prüflings verwendet und die bekannten Charakteristiken des Norm-Testobickts ergeben die Beziehung zwischen der Phase des Bezugssignals zur Phase des Signais in der ersten Spule.

Im Lichte der erörterten Modifikation ist ersichtlich, daß bei der Erfindung gan? allgemein der Vergleich eines Wirbelstrom-Testsignals betrachtet wird, welches sich als Funktion der Wirbelströme in einem unbekannten Prüfling ändert, z. B. das induzierte Signal e3o in den Spulen 22, 24 (Fig. 1) gegenüber einem Bezugssignal, um auf diese Weise das Phasenverhältnis dieser Signale untereinander zu bestimmen, wenn das Bezugssignai nicht identisch mit dem Signal zur Induzierung der Wirbeisiröme ist, beispielsweise dem induzierenden Signal in der Spule 20 (Fig. 1), wobei jedoch das Bezugssignal in anderer Weise, direkt oder indirekt, mit dem induzierenden Signal in einer Phasenbeziehung steht. In dieser Lage wird das Bezugssignal mit dem Prüfsignal verglichen, welches sich als Funktion der Wirbelströme in dem Prüfling ändert. Die Frequenz oder die Periode des Bezugssignals und des induzierenden Signals, welches den vorbestimmten Phasenwinkel erzielt, können dann zur Bestimmung der gewünschten Charakteristik verwendet werden, beispielsweise der Leitfähigkeit des Materials.

Es ist auch ersichtlich, daß der Oszillator 58 (F i g. 1) durch einen von der Bedienungsperson gesteuerten Oszillator variabler Frequenz ersetzt werden kann. Ein Meßgerät oder dergleichen kann ferner an den Ausgang des Vergleichers 52 angeschlossen werden, wobei die Bedienungsperson die Frequenz des Oszillators so einstellt, bis das Meßgerät Null anzeigt. Eine solche Schaltung ist aber nicht für rasches Messen geeignet und es wird unnötigerweise eine Fehlerquelle eingeführt, nämlich die Sichtinterpretation der Bedienungsperson bezüglich der Ablesung des Instruments. Demnach wird der automatisierte Regelkreis gemäß F i g. 1 bevorzugt. Aus der Betrachtung der Gleichungen (1), (5) und (6) ist ersichtlich, daß Frequenz ω des Erregers sLh nicht ändert und des Prüfssignals die gleiche ist, d. h. die zahlreichen Signale in der Schaiiung sind alle auf derselben Prüffrequenz. Demnach kann die Frequenz, mit der das Instrument betrieben wird, dadurch gemessen werden, daß der Frequenzteiler 64 an verschiedenen anderen Punkten in der Schaltung und nicht nur direkt am Oszillatorausgang 62 angeschlossen wird. Beispielsweise kann der Teiler 64 am Ausgang der Verstärker 36, 40 oder 44 oder sogar an der Ausgangsleitung 30 der Empfängerspulen angeschlossen sein, wenn eine geeignete Isolationsschaltung verwendet wird.

Die Erfindung ist im einzelnen in Verbindung mit einem speziell gewählten Phasenwinkel und einem gewissen Frequenzbereich beschrieben worden. Es versteht sich, daß derartige Einzelheiten die Art und Weise der Wahl eines solchen Parameters illustrieren sollen und zum Verständnis der Erfindung beitragen sollen. Aus den angegebenen Gründen ist die Erfindung \or allem zur Messung der Leitfähigkeit von NichtEisen-Metallen geeignet, jedoch sind die Prinzipien der Erfindung potentiell auch zur Analyse der Eigenschaften von ferromagnetischen Metallen geeignet und zur Bestimmung von weiteren Materialeigenschaften außer der eigentlichen Leitfähigkeit. In dieser Hinsicht kann das Meßgerät zur Bestimmung von Materialeigenschaften wie mechanischer Spannungszustand, Lunker oder Ermüdung verwende! wird, da hierbei Leitfähigkeitsänderungen eintreten können. Die Erfindung kann auch :■. einer Prüistation eines Produktionsbandes angebende, werden, um Teile nach ihrer Leitfähigkeit oder anJeren Eigenschaften als »gut« oder »schlecht« festzustellen, ohne daß eine volle quantitative Messung vorgenom-■· men wird oder eine Mchtbare Anzeige geliefert wird

Iiicr/u 1 Hhiit/„dc

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur elektrischen Messung einer Materialeigenschaft wie der Leitfähigkeit, der Permeabilität, der Materialdicke, der Riß- und Lunkerfreiheit u.dgl, von Prüflingen mit den Verfahrensschritten der Erzeugung eines periodischen Signals zur elektromagnetischen Induktion von Wirbelströmen in diesem, Entwickeln eines Prüfsignals, welches sich als Funktion dieser Wirbelströme ändert, und Erzeugen eines Bezugssignals, dessen Phase in Beziehung zu dem periodischen Signal steht, wobei das periodische Signal, das Bezugssignal und das Prüfsignal auf der gleichen Prüffrequenz liegen, gekennzeichnet durch folgende zusätzliche Verfahrensschritte

a) die Frequenz des periodischen Signais wird bis zum Erreichen einer spezifischen Prütfrequenz geändert, bei welcher das Prüfsignal ein vorbestimmtes Phasenverhältnis in bezug zu dem Bezugssignal einnimmt und

b) die Materialeigenschaft des Prüflings wird als inverse Funktion der speziellen Prüffrequenz bestimmt

2. Verfahren nach Anspruch 1, zur Bestimmung der Leitfähigkeit von Prüflingen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt a) die Messung der Periode der speziellen Hrüffrequenz einschließt und daß der Schritt b) die Bestimmung der Leitfähigkeit als direkte lineare Funktion der gemessenen Periode umfaßt.

3. Verfahren zur Bestimmung der Leitfähigkeit von Prüflingen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt b) die Bestimmung der Leitfähigkeit eines ersten Prüflings als inverse Funktion eines ersten Wertes der Prüffrequenz umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das periodische Signal zweite Wirbelströme in einem zweiten Prüfling erregt und ein zweites Prüfsignal, welches sich als Funktion der zweiten Wirbelströme ändert, gebildet wird, daß eine zweite Phasenbeziehung zwischen dem zweiten Prüfsignal und dem Bezugssignal bestimmt wird, daß das periodische Signal so lange geändert wird, bis die Prüffrequenz einen zweiten Wert einnimmt, bei welchem das zweite Phasenverhältnis den gleichen vorbestimmten Wert erreicht, und daß dann die Leitfähigkeit des zweiten Prüflings als die gleiche inverse lineare Funktion der Prüffrequenz bei dem entsprechenden zweiten Wert der Prüffrequenz bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Leitfähigkeit von nicht-ferromagnetischen Prüflingen mit vorbestimmter minimaler Dicke die Erregung durch das periodische Signal genügend stark ist, so daß die induzierten Wirbelströme im wesentlichen beziehungslos zur Materialdicke sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schritt der Bestimmung des Phasenverhältnisses die Schritte der Integration des Prüfsignals und Vergleich des integrierten Prüfsignals mit dem Bezugssignal einschließt, um ein Signal zu bilden, welches sich als Funktion eines gemessenen Phasenverhältnisse!, zwischen diesen Werten ändert.

7. Vorrichtung zur elektrischen Messung einer Materialeigenschaft eines Prüflings nach einem tier Ansprüche 1 bis 6 mit folgenden Merkmalen:

eine Erreger-Einrichtung (58, 60, 20) liefert ein periodisches Signal und umfaßt eine Sendeeinrichtung (20), die auf der einen Seite des Prüflings (26) angeordnet ist um in dem Material Wirbelströme zu induzieren;
eine Empfängereinrichtung (22, 24) kann auf der

lu gleichen Seite des Prüflings (26) angeordnet sein und entwickelt ein Prüfsignal in Abhängigkeit von den Wirbelströmen in dem Prüfling;
eine Einrichtung (42, 44)' spricht auf dieses periodische Signal an und liefert ein Bezugssignal;

gekennzeichnet durch:

eine Phasendifferenz-Feststelleinrichtung (46) spricht auf das Bezugssignal und das Prüfsignal an und liefert ein Ausgangssignal entsprechend der Differenz des Phasenwinkels zwischen dem Prüfsignal und dem Bezugssignal,

eine Frequenzänderungseinrichtung (58) ist zur Änderung der Prüffrequenz vorgesehen, bis die Prüffrequenz einen ersten Wert einnimmt bei welchem das Phasendifferenz-Ausgangssignal einen bestimmten Wert einnimmt, wobei das periodische Signal, das Prüfsignal und das Bezugssignal auf einer Prüffrequenz liegen, die so gewählt ist daß die in dem Prüfling induzierten Wirbelslröme im wesentlichen beziehungslos zur Materialdicke sind;

jo eine Umrechnungseinrichtung (64—72) bestimmt den Wert der Materialeigenschaft des Prüflings als Funktion des ersten Wertes der Prüffrequenz.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzänderungseinrichtung

Γι (58) Mittel zur Änderung der Frequenz des periodischen Signals umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet daß die Umrechnungseinrichtung (64—72) Mittel (64,66,70) zur Messung der Periode

4(i der Prüffrequenz und eine Wiedergabeeinrichtung (70, 72) der gemessenen Periode als direkte geeichte Materialeigenschaft aufweist

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendifferenz-

4^r» Feststelleinrichtung (46) eine Integrationseinrichtung (34,36,38) des Prüfsignals vorgeschaltet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis

10, dadurch gekennzeichnet daß das Ausgangssignal der Phasendifferenz-Feststelleinrichtung (46) ein

so Gleichstromsignal ist daß das Bezugssignal als Gleichstromsignal von einer Bezugseinrichtung (54, 56) geliefert wird, und daß eine Vergleichseinrichtung (52) das Gleichstrom-Phasendifferenzsignal mit dem Gleichstrom-Bezugssignal zur Steuerung der

V) Erreger-Einrichtung (58) vergleicht.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis

11, dadurch gekennzeichnet daß die Umrechnungseinrichtung (64—72) zur Bestimmung der Periode der Prüffrequenz

w) einen Frequenzteiler (64), der mit dem Faktor zwei mal einem vorgewählten Maßstabsfaktor teilt und ein geeichtes Ausgangssignal liefert,
einen Referenzoszillator (68) für Referenzsignale und

h? eine Zähleinrichtung (70) zur Zählung der Perioden der Referenzsignale während eines Halbzyklus des geeichten Ausgangssignals aufweist, wobei die Zählung während des Halbzyklus gleich dem

Maßstabfaktor multipliziert mit dem Verhältnis aus Frequenz des Referenzsignals dividiert durch die Prüffrequenz ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wiedergabevorrichtung (72) zur Wiedergabe des Zählstandes der Zähleinrichtung (70) nach jedem Halbsyklus des geeichten Ausgangssignals vorgesehen ist

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis

13, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängereinrichnng mehrere Spulen (22, 24) aufweist die schaltungstechnisch und örtlich mit Bezug auf die Sendeeinrichtung (20) kompensiert angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis