DE2843570A1 - Vorrichtung zur zerstoerungsfreien pruefung von langgestreckten ferromagnetischen gegenstaenden - Google Patents

Description

Pete n to n walte Dipl. Ir g. Hans-Jürgen Müller Dr. rer. r;;.;. lliornas Berendt

Dr.-In.3. Beiis Leyh Luciis-Grahn-SiraGs 38 D 8 .V.Onehen

Unser Zeichen: A 14 Lh/fi

PLESSEY HANDEL UND INVESTMENTS A.G. Gartenstrasse 2
CH-6300 Zug (Schweiz)

Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von langgestreckten f erroinagnetis chen Gegenständen

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von langgestreckten ferromagnetisehen Gegenständen, wie z.B. Drahtseilen.

Sie betrifft insbesondere die Feststellung oder Auffindung einer Verringerung des Stahlquerschnittes und der effektiven Festigkeit infolge von Rissen oder gebrochenen Drähten. Bei Drahtseilen kann die Verringerung bzw. der Verlust an Stahlquerschnittsfläche aufgrund von Verschleiß oder Korrosion auftreten und es ist nicht nur aus Gründen der Sicherheit wichtig, ein Maß für die Reduzierung der Festigkeit des Seiles zu erhalten, sondern eine zuverlässige Methode ermöglicht es in vielen Fällen, das Seil weiterzubenutzen, wo andere Untersuchungen bereits zu einer vorzeitigen Ausscheidung des Seiles führen.

Nach der Erfindung umfaßt die Vorrichtung Magnetisierungsmittel mit Polschuhen, die einen Abschnitt des langgestreckten Gegenstandes umgeben und eine im wesentlichen konstante Magnetisierungskraft über diesen Abschnitt in Richtung der Längsachse liefern, ferner magnetische Sensoren unter den Polschuhen zum Messen des magnetischen Feldes, das in den Gegenstand eingeleitet wird, um durch Vergleich mit dem Wert, der einem bekannten Gegenstand in gutem Zustand zugeordnet ist, eine Anzeige des Zustandes des untersuchten Objektes zu erhalten.

Zweckmäßigerweise sind die magnetischen Sensoren in Form eines Bundes oder Kragens um den Gegenstand in einer Position zwischen den Polstücken angeordnet. Die Sensoren können radial verlaufen, um eine Anzeige über den Durchgang eines

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Teils des Objektes durch den Bund zu liefern, in welchem eine Diskontinuität, wie z.B. ein gerissener Draht in einem Drahtseil vorliegt. Die Sensoren können vorzugsweise Hall-Geräte sein (d.h. Geräte mit Hall-Effekt) und wenngleich eine obere Geschwindigkeitsgrenze für den Durchlauf des Objektes durch die Vorrichtung angenommen werden kann, jenseits der zuverlässige Anzeigen oder Messungen nicht erhalten werden, sind prinzipiell die Messungen oder Anzeigen, die mit der Vorrichtung erhalten werden, effektiv unabhängig von der Geschwindigkeit.

Die Erfindung wird in Verbindung mit einem Drahtseil beschrieben, sie eignet sich jedoch auch für die Untersuchung anderer langgestreckter ferromagnetischer Gegenstände, so daß Beschreibungen, die sich auf das Drahtseil beziehen, auch für solche andere langgestreckte ferromagnetische Objekte gedacht sind.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 eine typische Magnetisierungskurve für Stahl zeigt.

Fig. 2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 3 zeigt den äquivalenten magnetischen Schaltkreis der Vorrichtung nach Fig. 1.

Fig. 4 zeigt den elektrischen Schaltkreis der magnetischen Pol-Sensoren nach Fig. 2.

Fig. 5 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

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Fig. 6 zeigt den äquivalenten magnetischen Schaltkreis der Vorrichtung nach Fig. 5.

Fig. 7 zeigt den dazwischenliegenden Bund für die Sensoren.

Fig. 8 zeigt ein Ausgangssignal des Bundes nach Fig. 7, gemessen durch die radialen Sensoren.

Fig. 9 zeigt ein Ausgangssignal des Bundes nach Fig. 7, gemessen durch die longitudinalen Sensoren.

Fig. 10 zeigt die elektrische Schaltung, die dem Sensorausgang des Bundes nach Fig. 7 zugeordnet ist.

Mit Hilfe der Vorrichtung nach Fig. 2 wird ein Magnetfeld an einen Abschnitt eines Drahtseiles angelegt, das in seiner Längsrichtung bewegt wird. Die Punkte oder Stellen, an denen das Magnetfeld an das Drahtseil angelegt wird, werden mit ausreichendem Abstand gewählt, um zu gewährleisten, daß der Hauptteil des Seiles zwischen diesen Punkten eine ausreichend gleichmäßige Magnetflußdichte über den Querschnitt des Stahlseiles hat. Infolge der konstanten Magnetisierungskraft zwischen den beiden Stellen ist die magnetische Flußdichte über den Stahlseilquerschnitt definiert durch einen festen Punkt X auf der Magnetisierungskurve für das Stahlseil. Wenn eine ausreichende Magnetisierungskraft H benutzt wird, die sich der magnetischen Sättigung nähert, wie Fig. 1 zeigt, dann wird die Flußdichte B kaum durch irgendeine vorherige Magnetisierung des Seiles oder irgendwelche kleine Änderungen der Magnetisierungskraft H beeinflußt. Die Flußdichte im Seil ist daher für ein gegebenes Material konstant und der magnetische Fluß zwischen den beiden Punkten an dem Seil ist direkt proportional zum Stahlquerschnitt des Seiles. Dieser magnetische Fluß kann gemessen werden, wenn er in das Seil

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hinein oder aus dem Seil ein- oder austritt durch den Luftspalt unter den breiteren Flächen der Polschuhe des Elektromagnetes über diesen Punkten am Seil. Es ist ein Randfeld oder Restfeld zwischen den freien Enden des Seiles außerhalb der Vorrichtung vorhanden, das den linearen Zusammenhang zwischen dem Polfluß und dem Stahlseilquerschnitt unter Umständen beeinflussen kann, die Messung des Stahlseilquerschnittes wird aber im übrigen nicht beeinflußt.

Eine Ausfuhrungsform der Erfindung ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Ein Elektromagnet aus Steuerspulen 1, die auf zwei separate Joche 2 gewickelt sind, liefert eine konstante Magnetisierungskraft zwischen zwei Punkten 3 und 4 auf einem Seil 5, wobei der magnetische Fluß in das Seil über die Polstücke 6 eingeleitet wird. Radiale magnetische Sensoren 7 im Luftspalt 8 unter einem oder beiden der Polschuhe liefern ein Maß für den magnetischen Fluß, dessen Richtung durch die Pfeile angezeigt ist und damit für den Stahlquerschnitt des Seiles 9 zwischen den beiden Polschuhen. Eine Anzahl von radialen Sensoren 7 wird unter einem oder beiden Polschuhen oder Polstücken verwendet, so daß die Summe ihrer Ausgänge benutzt werden kann, um eine Seilexzentrizität innerhalb der Polstücke zu kompensieren. Als magnetische Sensoren können Hall-Sensoren verwendet werden, wegen ihrer geringen Größe und ihrem geeigneten magnetischen Meßbereich.

Fig. 3 zeigt schematisch den magnetischen Schaltkreis dieser Vorrichtung, in welchem die Reluktanzen der Spulen A und B mit 300 und 301 und die Reluktanzen der Joche A und B mit 302 und 303 bezeichnet sind. Die Reluktanzen der Polschuhe 6 sind mit 304, 305, 306 und 307 bezeichnet und die Leckagen oder Streuverluste der Spulen A und B sind durch strichpunktierte Verbindungen zu 308 und 309 entsprechend angedeutet und die Leckage von Pol zu Pol ist durch 310 dargestellt. Die Reluktanzen oder magnetischen Widerstände des

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Luftspaltes, der das Seil umgibt/ sind durch 311 und gezeigt und der magnetische Effekt des Seiles ist durch das Bezugszeichen 313 dargestellt, wobei die Flußrichtung durch den Pfeil gegeben und seine Größe mit i£ bezeichnet ist.

Ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung für die Messung des Stahlquerschnittes ist in Fig. 4 gezeigt. Die Sensoren unter den Polstücken werden mit einem Steuersignal 11 gespeist, das aus einer Rechteckwelle von etwa 100 kHz besteht, die von einem Generator 400 geliefert wird, um den Steuerstrom für sämtliche Hall-Sensoren 7 der Polschuhe zu liefern. Die Ausgänge 12 all dieser Sensoren der Polschuhe, die proportional zum Magnetfeld sind, werden in einem Verstärker 401 summiert und synchron in einem Detektor 402 gemessen, um einen Ausgang 13 zu liefern, der proportional zur mittleren magnetischen Feldstärke ist, die durch die Sensoren 7 gemessen wurde. Die Sensoren 7 unter den zweiten Polschuhen 6 sind in ihrer Meßrichtung umgekehrt angeordnet. Eine Bezugsspannung REF wird an den Detektor 402 vom Generator 400 gelegt. Eine manuell einstellbare Gleichspannung 14 wird vom Detektorausgang 13 abgezogen, um einen Ausgang 15 zu liefern, der eine Veränderung des Stahlquerschnittes anzeigt. Wenn die Gleichspannung geeicht ist, so kann die Eich-Einstellung , die bei 15 zu einer Null-Spannung führt, benutzt werden, um direkt den Stahlquerschnitt des Stahlseiles anzuzeigen. Wenn andererseits die Gleichspannung so eingestellt wird, daß die bei 15 eine Null-Spannung bei einem einwandfreien Abschnitt des Seiles ergibt, dann zeigt die Spannung bei 15 die Änderung des Stahlquerschnittes gegenüber dem einwandfreien Abschnitt des Seiles an. Die Spannung bei 15 kann über einen verstärkungsgeregelten Verstärker 403 verstärkt werden, der durch dieselbe Gleichspannung 14 gesteuert wird, um einen Ausgang 16 zu

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liefern, der die prozentuale Veränderung des Stahlseilquerschnittes gegenüber dem Querschnitt des einwandfreien Abschnittes des Seiles anzeigt. Ein Tiefpaßfilter 404 kann benutzt werden, um einen reineren Ausgang, der frei von Rauschen ist, zu erhalten. Der endgültige Ausgang der prozentualen Veränderung der Querschnittsfläche kann direkt als analoger Ausgang erhalten werden oder er kann mit Schwellwertpegeln verglichen werden, um eine übermäßige Abnutzung oder das Vorhandensein einer Spleißung anzuzeigen.

Zum Messen des Stahlquerschnitts ist eine konstante bzw. im wesentlichen konstante Magnetisierungskraft zwischen zwei Punkten des Seiles erforderlich. Dies kann beispielsweise ideal durch einen Permanentmagneten erreicht werden.

Die Erfindung betrifft daher ferner die Verwendung eines Permanentmagneten für die Seilmagnetisierung. Dieser besteht aus einem zylindrischen hohlen Magneten, der das Seil umschließt, wobei Polschuhe aus Weicheisen über den Bezugspunkten am Seil angeordnet sind, um den Magnetfluß in das Seil einzuleiten. Der Magnet kann längs seiner Achse geschlitzt sein, um ihn an Ort und Stelle über dem Seil anordnen zu können. Radiale magnetische Sensoren sind wie zuvor unter den Polschuhen zur Messung des Stahlquerschnittes vorgesehen. Normalerweise sucht ein Permanentmagnet einen konstanten Magnetfluß und nicht eine konstante Magnetisierungskraft an das Seil abzugeben. Wenn ein vernünftiger Streufluß um den Permanentmagnet angenommen wird, so wird außerhalb des Seiles im wesentlichen eine Stabilisierung der Magnetisierungskraft erhalten. Wenn ferner eine hohe Magnetisierungskraft benutzt wird, die sich der magnetischen Sättigung nähert, so wird die Flußdichte des Seiles wenig beeinflußt durch Veränderungen der Magnetisierungskraft auf das Seil.

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So wird ein im wesentlichen oder mindestens im wesentlichen proportionaler Zusammenhang zwischen dem Magnetfluß, der in das Seil eingeleitet wird und dem Stahlquerschnitt des Seiles erreicht.

Eine Ausfuhrungsform dieser Art der Erfindung ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Hier ist ein hohler zylindrischer Magnet 18 in zwei Hälften geteilt und um das zu untersuchende Seil 19 angeordnet. Der magnetische Fluß des Permanentmagneten wird in das Seil über die Polschuhe 20 eingeleitet. Wie zuvor sind magnetische radiale Sensoren 21 unter den Polschuhen angeordnet, um ein Maß für den Stahlquerschnitt des Seiles zu liefern. Auch werden die Ausgangssignale in derselben Weise wie zuvor verarbeitet und wie in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben wurde.

Fig. 6 zeigt schematisch den magnetischen Schaltkreis dieser Anordnung, wobei mit 600 der permanente magnetische Rückstoßfluß, mit 601 die magnetische Rückstoßreluktanz, mit 602 die magnetische Streureluktanz, mit 603 und 604 die Polreluktanzen, mit 605 und 606 die Luftspaltreluktanzen, mit 607 die interne Streureluktanz und mit 608 die Seilreluktanz bezeichnet sind.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung von Hall-Sensoren für die Messung und Feststellung von gebrochenen Drähten sowie für die überwachung und Messung der Seilmagnetisierung. Mittel für die Seilmagnetisierung, wie sie in Verbindung mit den Fig. 2 oder 5 beschrieben wurden, sind derart vorgesehen, daß ein zu untersuchender Seilabschnitt 5 oder 19 längs seiner Achse magnetisiert wird, so daß ein im wesentlichen gleichförmiger Magnetfluß über die Länge bzw. den Abschnitt des Seiles 9 oder 22 fließt. Ein bundförmiger Sensor 23 oder 24 ist um das Seil konzentrisch zu diesem montiert. Dies ist im Detail in Fig. 7 dargestellt.

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Der Bund 25 nach Fig. 7 enthält eine Anzahl von radialen Hall-Sensoren 26, die in gleichen Abständen längs des Bundumfanges zur Feststellung gebrochener Drähte angeordnet sind. Der Bund enthält ferner längsverlaufende magnetische Sensoren 27, die ebenfalls benutzt werden können zur Feststellung gebrochener Drähte, die jedoch hauptsächlich dazu dienen, den Pegel der Seilmagnetisierung festzustellen. Es ist damit möglich, die durch die Blektromagnete oder Permanentmagnete erzeugte Magnetisierung zu überwachen. Der Bund ist zweckmäßigerweise geschlitzt, so daß er an Ort und Stelle, ebenso wie der Magnet, auf das Seil passend aufgebracht werden kann.

Die Form des Ausganges, die von den in dem Bund angeordneten magnetischen Sensoren erhalten wird, wenn ein Seil mit einem gebrochenen Draht durch den Bund hindurchläuft, ist in Fig. 8 für die radialen Sensoren und in Fig. 9 für die longitudinalen Sensoren dargestellt. Die Amplitude des Magnetfeldgipfels verändert sich mit der dritten Potenz des Abstandes von dem Drahtbruch, während ihre Breite proportional zum Abstand vom Drahtbruch ist.

Eine elektronische Schaltung zur Feststellung von gebrochenen Drähten ist in Fig. 10 gezeigt. Sämtliche Sensoren 26, 27 werden von einem Generator 1000 angesteuert, der eine Rechteckwelle mit etwa 100 kHz erzeugt, um den Steuerstrom für die Hall-Sensoren 26, 27 zu liefern. Die Ausgänge aller radialen Hall-Sensoren werden in einem Summierverstärker 1001 summiert und synchron in einem Detektor 1002 aufgenommen, der einen Ausgang 29 liefert, der proportional dem mittleren Ausgang aller radialen Sensoren ist. Die Summierung hilft ein etwaiges Rauschen aus dem Seil zu eliminieren. Der Ausgang bei 29 wird in einem Verstärker 1003 verstärkt,

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um einen geeigneten dynamischen Ausgangsbereich bei 30 und eine Integratorrückkopplung über einen Integrator 1004 und eine Summiereinrichtung 1005 zu liefern, die verwendet wird, um eine Wechselstromkupplung mit einer langen Zeitkonstante in der Größenordnung von 5 Sekunden zu erzeugen. Der Ausgang bei 30 wird in einem Tiefpaßfilter 1OO6 gefiltert, um etwaige Geräusche zu entfernen, die hauptsächlich infolge der Charakteristik des Seiles selbst auftreten, um einen Ausgang 31 zu liefern. Ein nicht-gefilterter Ausgang 32 ist ebenfalls vorgesehen. Dieser Ausgang kann direkt als ein Analogsignal betrachtet werden oder er kann mit einem Schwellwert verglichen werden, um gebrochene Drähte festzustellen.

Die elektronische Schaltung für die longitudinalen Sensoren für die Feststellung gebrochener Drähte ist im Prinzip dieselbe. In einer praktischen Ausführung besteht die Vorrichtung zweckmäßigerweise aus zwei annähernd identischen Teilen, die vorzugsweise gelenkig miteinander verbunden sind. Dies ermöglicht es, ein Seil in die Vorrichtung einzuführen. Vorzugsweise ist die Vorrichtung in sich abgeschlossen und mit der elektronischen Schaltung und der magnetischen Schaltung versehen, die in zwei wasserdichten Gehäusen untergebracht sind, von denen jedes mit einem oder mehr Führungsrädern oder -rollen versehen ist, so daß das Drahtseil frei durch die Vorrichtung hindurchgezogen oder bewegt werden kann.

Die Vorrichtung kann mit einem sichtbaren Ausgang, beispielsweise einem Meßgerät oder Anzeigegerät versehen sein, das zu blinken anfängt, um dadurch eine Veränderung oder Abweichung des Stahlquerschnittes anzuzeigen. Es kann ferner eine automatische Markierungseinrichtung vorgesehen sein, durch welche das Seil bei jeder Diskontinuität, z.B. mit Farbe markiert wird.

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Alternativ kann ein Bandgerät an der Vorrichtung vorgesehen werden, um alle Diskontinuitäten in Relation zu ihrer Lage am Seil aufzuzeichnen.

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Claims (7)

A 14 206 Plessey Handel Patentansprüche

1.) Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung von langgestreckten ferromagnetischen Gegenständen, gekennzeichnet durch eine Magnetisiereinrichtung (1, 12) mit Polschuhen (6), die über einen Abschnitt des langgestreckten ferromagnetischen Gegenstandes (5) längs seiner Achse diesen umgebend angeordnet sind und eine konstante Magnetisierungskraft abgeben, ferner durch magnetische Sensoren (7) unter den Polschuhen zum Messen des magnetischen Feldes, das in den Gegenstand eingeleitet wird, durch Vergleich mit dem Wert, der dem Gegenstand in einwandfreiem Zustand zugeordnet ist, um dadurch eine Anzeige über den Zustand des untersuchten Gegenstandes zu erhalten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungseinrichtung ein Elektromagnet (1) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Magnetisierungseinrichtung ein Permanentmagnet (12) ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Polschuhe (7) aus zwei Gruppen bestehen, die einen vorgegebenen Abstand haben, und daß ferner magnetische Sensoren (26, 27) in einem Bund (25) angeordnet sind, der den Gegenstand in einer Position zwischen den beiden Gruppen von Polschuhen umgibt.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß ein Teil der magnetischen Sensoren (26) radial in dem Bund (25) angeordnet ist, um den Durchgang eines Teils des Gegenstandes, in welchem eine Diskontinuität vorhanden ist, durch den Bund anzuzeigen, daß ferner elektronische Einrichtungen (27, 28, 29, 30, 31) vorgesehen sind, die den Sensoren zugeordnet sind, um die Ausgangssignale der Sensoren zu verarbeiten, um eine Diskontinuität in dem zu untersuchenden Gegenstand anzuzeigen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß er mit Aufzeichnungseinrichtungen versehen ist, die den elektronischen Einrichtungen zugeordnet sind, um Diskontinuitäten in dem zu untersuchenden Gegenstand aufzuzeichnen, wenn dieser an den magnetischen Sensoren vorbeigeführt wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die magnetischen Sensoren (6, 26, 27) Hall-Geräte sind.

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