DE2739873A1 - Verfahren zur zerstoerungsfreien werkstoffpruefung nach dem wirbelstromverfahren - Google Patents

Description

• Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nach
• dem Wirbelstromverfahren Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1, wie es z.ß. aus der Zeitschrift für Materialprüfung Nr. 7, Juli 1975, bekannt ist.
• Wirbelströme sind bei den meisten elektrotechnischen Anwendungen unerwünscht; man reduziert sie z.B., indem man die Joche von Motoren und Transformatoren lamelliert.
• Einige Anwendungen stützen sich jedoch gerade auf Wirbel-;trörne; die Induktionsheizunq., die Wirbeistromkunplung und -bremse und schließlich die zerstörungsfreie Prüfung.
• Das Wirbelstromverfahren ermöglicht als zerstörungsfreies Prüfverrahren quantitative Aussagen über Qualitätsmerkmale von Prüfkörpern ohne Zerstörung derselben. Dem Verfahren eröffnet sich bei metallischen Werkstoffen ein breites Anwendungsgebiet, so z.ß. neben der Fehlerprüfung, die Prüfung auf Legierungsunterschiede, Gefügeausbildung und auf mechanische Härte, auf Randeigenschaften, auf Abmessungen (Durchmesser, Dicke), zur Kontrolle der Warmebeiiandlung, zum Nachweis von Walztexturen usw...
• Mit zunehmender Komplexitat der Prüfsituationen wurden die Grenzen des Einfrequenzverfahrens deutlich. Viele wichtige und interessante Anwendungen konnten nicht realisiert werden. Denn entsprechend dem weiten Anwendungsgebiet des Verfahrens sind eine ganze Reihe, z.B. metallurgischer Parameter mit der.Ausbildung der Wirbelströme korreliert.
• Diese gehen also ebenso wie de Geometrie und die Abmeasungen des Prüfkörpers in das Meßergebnis ein. Von den vielen Einflußgrößen sind bei den praktisohen Anwendungen jedoch i.a.
• immer nur wenige von Interesse; die übrigen, die Je nach Prüfsituation mehr oder weniger stark in Ersoheinung treten, liefern genau wie die Zielgrößen Meßanzeigen. Diese Störanzeigen überlagern die Anzeigen der Zielgrößen, so daß letztere nicht mehr erkannt werden bzw. ihre Anzeige verfälsoht wird.
• Die grundlegende Aufgabe bei allen Anwendungen des Verfahrens besteht also darin, die anfallenden Meßanzeigen danaoh zu untersoheiden, ob sie Ziel- oder Störparameter zuzuordäen sind, um dann die Störanzeigen zu unterdrüoken und nur die Zielgrössen auszugeben.
• Bei der allgemein üblichen Methode der Prüfung mit nur e i n e r Frequenz ist der Informationsinhalt der Meßgröße (Betrag und Phase der Spulenanordnung) begrenzt, so daß grundsätzlioh nur e i n e Störanzeige unterdrückt werden kann, während weitere, gleichzeitig auftretende Störungen genau wie die Zielgrößen angezeigt werden.
• Zu Beginn der 60er Jahre setzten vor allem in USA neue Aktivitäten zu den Grundlagen des Verfahrens ein. Von hervorragender Bedeutung sind dabei die Arbeiten von H.L. Libby, der zur Erhöhung des Informationsinhaltes des Meßsignals die gleiohzeitige Verwendung von mehreren Prüffrequenzen vorsohlug. Mit diesem Mehrfrequenzverfahren gelingt bei riohtiger Auswahl der Prüffrequenzen und geeignetem Auswerteverfabren gegenüber dem Einfrequenzverfahren die Unterdrückung weiterer Störanzeigen und damit eine wesentliche Ausweitung des Anwendungsgebietes für das Wirbelstromverfahren.
• 1. Aufgabe der Erfindung ist es, bei dem Mehrfrequenzverfahren gemäß Oberbegriff den Aufwand in der Elektronik zu reduzieren und die örtliche Zuordnung der Signale ausreichend exakt zu maohen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung der Prüffrequenzen arbeitet nach der Multiplexmethode und ist durch die in Anspruch 1 angegebene Maßnahme gekennzeichnet. Zwei Vorriohtungen zur Durchführung des Verfahrens sind in den Unteransprühen angegeben.
• Die Aufspaltung der Spulenspannungen naoh Real- und Imaginärteil erfolgt im Ausgabekanal frequenz-seriell, der deshalb nur einmal vorhanden sein muß.
• Neben dem geringeren elektronisohen Aufwand gegenüber der Hethode mit parallelen Prüffrequenzen ist als weiterer Vorteil hervorzuheben, daß eine frequenzmäßige Trennung der Spulenspannungen entfällt; so ist z.B. keine Band filterung notwendig. Das ist wiohtig, weil wegen der Phasen- oder Amplitudenverzerrungen eines solchen Filters die bei dem Nehrfrequenz-Algorithmus vorausgesetzte lineare Überlagerung der Meßvektoren gestört werden kann und weil wegen des Wegfalls der Band filter die Prüffrequenzen kontinuierlich und beliebig zueinander eingestellt werden können.
• Letzteres ist für ein Gerät mit umfangreichem Einsatzbereich besonders wichtig.
• In Abb. 2 ist ein zignaldiagramm der Vorrichtung dargestellt.
• Während der Zeit to bis t1 ist die Frequenz f1 eingeschaltet, von t1 bis t2 die Frequenz f2, von t2 bis t3 wieder die Frequenz f1, usw. Am Ausgang stehen Real- und Imaginärteil der Spulenspannung parallel aber bezüglich der Frequenz zeitlioh naoheinander an. Infolge der Bandbegrenzung des Ausgabekanals ist eine endliche Zeit erforderlioh bis sich die Ausgangsspannungen beim Umschalten von Frequenz zu Frequenz auf den Endwert eingestellt haben. Es hat sich gezeigt, daß bis zum endgitltigen Einsohwingen mindestens 3 Perioden notwendig sind.
• Das bedeutet, daß die Taktfrequenz f den eingeschalteten Prüffrequenzen angepaßt werden muß.
• dbb. 4 zeigt das Blookschaltbild der Vorrichtung für 4 Prüffrequenzen, die in beliebiger Kombination aus der Reihe 10, 30, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 400 und 500 kHz gewählt werden können.
• Die Oszillatoren werden extern über Stecker angeschlossen.
• Im Gerät befindet sich für jede der genannten Frequenzen ein 9O0-Phasenschieber, deren Ausgang nochmals nach außen geführt sind, wo dann nochmal über Stecker die Verbindung zu den beiden Multiplexern hergestellt wird.
• Die Anzahl der Oszillatoren ist allein durch die Kanalzahl der Multiplexer (hier vier) begrenzt, die leicht erweitert werden kann. Als Oszillatoren haben sich solche bewährt, die ihre sinusförmige Ausgangsspannung über Diodenketten aus einer Rechteckspannung erzeugen. Der Vorteil der Kechteckgeneratoren ist der, daß ihre Amplitude relativ konstant bleibt, weil sich die Begrenzung dadurch einstellt, daß die aktiven Bauelemente in die Sättigung getrieben werden.
• Dagegen können sich die Generatoren mit elektronischer Amplitudenregelung im Vergleich zu den kleinen Meßeffekten unzulässigc Schwankungen infolge von Regelschwingungen einstellen.
• Die Multiplexer werden von einem Rechteckgenerator geschaltet dessen il'aktfre enz entspreche!1d dien Prffrenllenzen variabel sein muß. Die gleichen Triggerimpulse, welche die Multiplexer schalten, werden weiter unten für die Kompensatoren benötigt. Daneben liefert der Taktfrequenzgenerator verzögerte Impulse für das Auswertesystem.
• Im linken Kanal werden die Spannungen auf die Prüfspule gegeben. Im allgemeinen wird es nicht möglich sein, diese direkt beim Gerät anzuordnen. Vielmehr muß man z.B. bei der Prüfung von Dampferzeugern mit Entfernungen bis zu 30 m rechnen. Die Leitung zur Spule muß abgeschirmt werden, um externe Störungen und Kapazitätsschwankungen gegen Masse beim Bewegen der Leitung auszuschalten. Abgeschirmte Kabel (BNC) haben jedoch eine Kapazität von indes tons 30 pF pro Meter. Schließt man das Kabel direkt an die Spule an, dann liegt parallel zur Spule eine Kapazität von etwa 1 nF.
• Die entsprechende Impedanz des Kabels liegt aber dann gerade in der Größenordnung der Impedanz der Spule. Das bedeutet, daß eine Aufspaltung der Spulenimpedanz nach Real- und Imayinärteil, wie sie als Voraussetzung für die lineare Überlagerung der Meßeffekte gefordert wird, nicht mehr möglich ist.
• Die aktive Schaltung, die den Strom in die Spule einprägt, muß also direkt an der Spule angeordnet sein, ebenso wie der Kabeltreiber, der die Kapazität des zum Gerat zurückführenden Kabels ausschaltet.
• Die aktiven Schaltungen könnten prinzipiell entfallen, wenn man die Impedanz der Spule groß gegen die des Labels machen könnte. Das ist aber im interessierenden Frequenzbereich nicht möglich, da sich dann einerseits wegen der hohen Windungszahl Resonanzstellen nicht vermeiden lassen und andererseits die Stromeinpräguns (= hoher Innenwiderstand gegen die Last) nicht realisiert werden kann.
• Die von der Spule zum Gerät zurückgeführte Spannung wird in Abhängigkeit von der Frequenz, gekennzeichnet mit dem Index i, durch die Eigenschaften des Prüfkörpers beeinflußt, und zwar bezüglich der Amplitude a und der Phase ¢.
• Zur Aufspaltung in Real- und Imaginärteil wird die Spulenspannung im linken Kanal mit der ursprünglichen Sinus-Spannung und im rechten Kanal mit der um 900 phasenverschobienen Cosinus-Spannung multipliziert und anschließend Tiefpaß-gefiltert. Die Eckfrequenz der Filter ist umschaltbar und sollte, angepaßt an die niedrigste Prüffrequenz,möglichst hoch gewählt werden, um Phasen- und Amplitudenverzerrungen zu vermeiden. Anschließend stehen in Form der Glcichspannungen ai cos #i und ai sin #i der Wirk- und Blindanteil der Spulenspannung zur Verfügung.
• Nachgeschaltet ist ein Kompensationsnetzwerk, das vor allem bei Verwendung von Absolutspulen notwendig ist. Damit gelingt es, beliebige Ausschnitte aus er Impedanzebene herauszugreifen und zu verstärken (Lupeneffekt).
• 2. Bisher war für jede Prüffrequenz ein Generator notwendig.
• Es genügt jedoch, unabhängig von der Anzahl der Prüffrequenzen, ein einziger Generator, wenn dicser einen VCO-Eingang (voltage controlled oscillator) besitzt. Die Frequenz eines solchen Generators kann extern über eine variable Gleichspannung gesteuert werden. Das Umtakten der Frequenz gelingt damit genügend schnell; bei dem verwendeten Gerät kann eine maximale Taktfrequenz von 50 kHz verwendet werden, iatürlich unter der Voraussetzung, daß die Prüffrequenzen genügend hoch ind.
• Diese Generatoren besitzen normalerweise auch einen sogenannten Synchronausgang, uer eine um 900 gegen die Ausgangsspannung verschobene Spannung liefert. Damit entfallen die Phasenschieber in Abb. 4, welche bisher der Grund waren, daß nur diskrete Prüffrequenzen eingestellt werden konnten; denn vom Prinzip der Multiplexmethode her besteht in dieser Beziehung keine Einschränkung.
• Das Prinzip des Generator- und mu1eipleYerteils ist Abb. 3 dargestellt.
• An den Potentiometern werden Gleichspannungen eingestellt, die auf einen Multiplexer gegeben werden. Jer Multiplexer wird vom Taktfrequenzgenerator geschaltet, der genauso aufgebaut ist wie der in Abb. 4. Ein weiterer Vorteil ist es, daß der Multiplexer nur Gleichspannungen schalten muß.
• Es ist keine aufwendige Hochfrequenzschaltung notwendig; es genügt ein einfacher integrierter Schaltkreis. darüber hinaus entfällt ein zweiter Multiplexer.
• Die am Ausgang des Multiplexers seriell vorliegenden Gleichspannungen werden auf den VCo-eingang eines handelsüblichen Generators gegeben. Am Ausgang erscheinen dann im klythnlus der Taktfrequenz und als Funktion der Gleichspannungen die Prüffrequenzen mit zwei um 90° phasenverschobenen Spannungen.
• Es können 3 Frequenzbereiohe gewählt werden, innerhalb derer die 4 Prtiffrequenzen kontinuierlioh und in beliebiger Kombination einstellbar sind: Ausgeführt sind diefolgenden Bereiohe: Bereich 1 : 600 kHz - 10 kHz Bereich 2 : 60 kHz - 1 kHz Bereich 3 : 6 kHz - 0,1 kHz.
• Es wird also ein weiter Frequenzbe:'eich abgedeokt, der bei Bedarf durch interne Umsohaltung des Generators beliebig nach oben oder unten verschoben werden kann.
• Die weiteren Komponenten sind dann genau so aufgebaut wie in Abb. 4.

Claims (2)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nach dem Wirbelstromverfahren, wobei von einer gegenüber dem Prüfkörper bewegten Prüfspule bei einer oder mehreren Frequenzen (z.B. 100-400 KHz) ein primäres magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, das in dem Prüfkörper Wirbelströme erzeugt, die ihrerseits ein sekundäres Feld erzeugen und die Impedanz nach Wirk- und Blindanteil von einer Meßspule gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüffrequenzen (1 k fn) von einem Taktgenerator so schnell in die bewegte Prüfspule eingespeißt werden, daß die Frequenzen jedes Zyklus nur so weit verschniert werden, wie es für das örtliche Auflösungsvermögen nötig ist.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß oszillatoren zur Erzeugung der Prüffrequenzen jeweils über 900 Phasenschieber mit einem Multiplexer in Verbindung stehen, der über einen Taktgenerator geschaltet wird, daß die Spannungen auf die Prüfspule gegeben werden, daß danach die gemessene Impedanz im einen Kanal mit der Sinusspannung und im anderen Kanal mit der um 900 phasenverschobenen Cosinus-Spannung multipliziert und anschließend über einen Tiefpaß gegiltert wird.