DE2845579A1

DE2845579A1 - Elektromagnetisch-akustisches messgeraet

Info

Publication number: DE2845579A1
Application number: DE19782845579
Authority: DE
Inventors: Donald Malcolm Wilson
Original assignee: TI Group Services Ltd
Current assignee: TI Group Services Ltd
Priority date: 1977-10-20
Filing date: 1978-10-19
Publication date: 1979-05-17
Also published as: IE47295B1; DK465778A; FR2406824B1; BE871341A; IE782052L; LU80398A1; FR2406824A1; NL7810530A; IT1100970B; IT7828944A0

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Meßgerät zum Überprüfen von elektrisch leitenden Materialien, insbesondere Metallen, ohne diese zu zerstören, und insbesondere auf ein Meßgerät zur Erzeugung von Ultraschallwellen in einer zu testenden Probe und zum Abtasten der reflektierten Ultraschallwellen.

Ultraschallwellen können in der Oberfläche eines leitenden Körpers dadurch erzeugt werden, daß man ein Hochfrequenzfeld im Körper unter Verwendung einer außerhalb des Körpers angeordneten Spule induziert, wenn der Körper selbst sich in einem starken magnetischen Feld befindet; die Ultraschallwellen ergeben sich aus der Wechselwirkung der Wirbelströme, die von dem Hochfrequenzfeld induziert werden, und dem Magnetfeld. Die reflektierten Ultraschallwellen in dem Körper können mit derselben Spule oder einer ähnlichen Spule in Anwesenheit eines Magnetfeldes abgetastet werden, wobei die Ultraschallwellen mit dem Feld eine Wechselwirkung ausüben und dabei ein Hochfrequenz-Stromsignal im Körper erzeugen, das einen entsprechenden Strom in der Spule induziert.

Basierend auf diesem elektromagnetisch-akustischen Effekt ist eine nicht zerstörende Ultraschall-Meßtechnik entwickelt worden, die keinen direkten Kontakt mit dem Körper erfordert. Dies steht im Gegensatz zu den normalen Ultraschall-Testverfahren, bei denen entweder ein piezo-elektrischer Schallgeber erforderlich ist, der eng gegen die Oberfläche des Körpers angelegt werden muß (die glatt und frei von Schuppen, Ablagerungen oder Zunder sein muß), oder die zumindest die Zwischenschaltung einer Flüssigkeit erfordern, um die Ultraschallwellen zu übertragen. Eine berührungslose Überprüfung hat offensichtlich Vorteile, wie z.B. den Um-

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stand, daß der zu überprüfende Körper heiß sein kann, seine Oberfläche rauh sein kann, und die automatische Überprüfung von Körpern in einer Herstellungsstraße wird dadurch vereinfacht, daß es nicht erforderlich ist, einen engen mechanischen Eingriff zwischen einem Schallgeber und der Oberfläche des Körpers vorzunehmen.

Das Reflexions- oder Echosignal ist jedoch sehr klein, und zwar einige Größenordnungen kleiner als bei dem normalen piezo-elektrischen Verfahren mit direktem Kontakt. Der Abtastschaltkrexs für das Echosignal muß daher extrem empfindlich sein, und die Hochfrequenzspule muß so dicht wie möglich an der Oberfläche des Körpers angeordnet werden.

In der GB-PS 1 524 955 ist bereits eine Vorrichtung zur Durchführung dieses elektromagnetisch-akustischen Testverfahrens beschrieben, die einen Magneten mit einem Mittelpol und einem konzentrischen äußeren Pol aufweist, wobei ihre Polflächen dicht an der Oberfläche des leitenden Körpers angeordnet sind, um darin ein konstantes Magnetfeld zu erzeugen, wobei die Vorrichtung weiterhin getrennte Sende- und Empfängerspulen aufweist, die beide spiralförmig gewickelt sind, d.h. in einer im wesentlichen flachen Scheibenform, und die seitlich im Abstand von der mittleren Polfläche in einer Ebene angeordnet sind,die im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Körpers verläuft. Bei der Anwendung auf die Überprüfung von Stangen, Schienen oder Rohren mit rundem Querschnitt liegen die äußere PoI-fläche und die beiden Spulen in gekrümmten Flächen dicht an und parallel zu der äußeren gekrümmten Oberfläche der Stange. Die beiden Spulen sind auch in ümfangsrichtung des Körpers im Abstand voneinander angeordnet, so daß der Magnet

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und die Spulen symmetrisch um eine Mittelebene angeordnet sind, die durch die Achse der Stange hindurchgeht.

Ein derartiges Meßgerät ist zufriedenstellend zum Überprüfen und Testen von Körpern mit rundem Querschnitt, die einen speziellen Durchmesser oder einen Durchmesser innerhalb eines speziellen begrenzten Bereiches aufweisen, der der Krümmung der äußeren Polfläche und der Ebene der Spulen entspricht,aber es kann nicht in zufriedenstellender Weise dazu verwendet werden. Körper mit erheblich differierenden Durchmessern zu testen, da die äußere Polfläche und die Spulen nicht in allen Fällen dicht an der Oberfläche des Körpers liegen. Wenn der Körper beispielsweise einen kleineren Durchmesser aufweist als der, für den das Meßgerät konzipiert ist, so werden diejenigen Teile der Spulen und der äußeren Polflächen, die von der mittleren Symmetrieebene weiter entfernt sind, in größerem Abstand vom Körper angeordnet sein als diejenigen Teile, die näher an der mittleren Symmetrieebene liegen. Somit wird die elektromagnetische Kopplung zwischen dem Meßgerät und dem Körper reduziert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes elektromagnetisch-akustisches Meßgerät anzugeben, das dazu verwendet werden kann, zylindrische Körper mit einem relativ großen Bereich von Durchmessern zu testen.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, ein elektromagnetisch-akustisches Meßgerät, mit einem Magneten mit Mittelpol, der von einem rohrförmigen äußeren Pol umgeben ist, und mit in der Nähe der Polfläche des Mittelpoles angeordneten Sende- und Empfängerspulen, so auszubilden, daß die Polfläche des rohrförmigen äußeren Poles in einer gekrümmten Fläche angeordnet ist, wobei der größere Teil

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ihrer Fläche in diametral gegenüberliegenden Bereichen längs einer Magnetachse konzentriert ist, die senkrecht zu einer Krümimingslinie der PoIflache verläuft, so daß dann, wenn die Polfläche in der Nähe der Oberfläche des zu messenden Körpers angeordnet ist, der magnetische Fluß längs der Magnetachse konzentriert ist. Der magnetische Fluß wird daher nicht beträchtlich reduziert, wenn der Luftspalt zwischen der Polfläche und dem Körper an seinen äußeren Bereichen längs der Krümmungsiinie zunimmt, wenn Körper mit einem kleineren Durchmesser gemessen werden als der maximale Durchmesser ausmacht, für den das Meßgerät ausgelegt ist.

Da weiterhin der größere Teil der Fläche der Polfläche längs der Magnetachse konzentriert ist, kann die Breite der Polfläche längs der Krümmungslinie reduziert werden. Damit lassen sich wiederum Änderungen des Abstandes zwischen den Polen des Magneten und der Oberlfäche des Körpers reduzieren, wenn letzterer einen Durchmesser aufweist, der sich vom maximalen Durchmesser unterscheidet, für den das Meßgerät ausgelegt ist. Auf diese Weise sind größere Toleranzen bei den Schwankungen der Durchmesser des Körpers zulässig.

Der Bereich oder die Fläche der Polfläche kann dadurch längs der Magnetachse konzentriert werden, daß man die Seitenwand des rohrförmigen Poles mit diametral gegenüberliegenden Bereichen längs der Krümmungslinie ausbildet, die reduzierte Dicke besitzen. Dies kann dadurch erfolgen, daß man die Dicke der Teile längs der Länge des Poles reduziert und/oder Abschrägungen an den Teilen zwischen der Polfläche und dem äußeren Umfang des Poles ausbildet.

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Die Sende- und Empfängerspulen sind vorzugsweise so angeordnet, daß sie eine begrenzte Breite der Polfläche des Mittelpoles über die Krümmungslinie einnehmen, so daß die elektromagnetische Kopplung zwischen der Spulen und den Oberflächen des Körpers sich nicht wesentlich ändert, wenn der Körper einen kleineren Durchmesser aufweist als der maximale Durchmesser. Auf diese Weise können die Spulen ineinander oder nebeneinander läncs der Magnetachse angeordnet werden.

Vorzugsweise sind beide Spulen mit länglicher Form ausgestaltet und erstrecken sich in Längsrichtung längs der Magnetachse, um einen breiten Ultraschallstrahl zu erzeugen, der längs dieser Achse gemessen wird, d.h. über die Länge des zu messenden Körpers.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektromagnetisch-akustischen Meßkopfes;

Fig. 2 einen Axialschnitt durch den Meßkopf nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Meßkopf nach Fig. 1; und in

Fig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche Draufsicht zur Erläuterung einer anderen Anordnung der Sende- und Empfängerspulen beim erfindungsgemäßen Meßkopf·

Der in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Testkopf weist einen Elektromagneten mit einem zylindrischen Mittelpol 1

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mit einer darumgewickelten Erregerwicklung 2 sowie einen koaxial angeordneten, rohrförmigen äußeren Pol 3 auf, der mit dem Mittelpol 1 über ein Joch 4 an einem Ende verbunden ist. Der Mittelpol 1 ist in einer mit dem Joch 4 verbundenen Buchse oder Hülse 6 aufgenommen, so daß die Erregerwicklung 2 zwischen der Hülse 6, dem äußeren Pol 3, dem Joch 4 und einer dem Joch 4 gegenüberliegenden ringförmigen Messingplatte 5 eingeschlossen ist. O-Ringdichtungen 8 dichten den Raum um die Erregerwicklung 2 ab, und Verbindungsteile 7 ermöglichen das Hindurchströmen von Kühlwasser oder öl.

Der äußere Pol 3 ist im wesentlichen von zylindrischer Form mit an diametral gegenüberliegenden Seiten ausgebildeten Flachseiten 9, die parallel zu einer mittleren axialen Ebene verlaufen, welche im Betrieb mit der Achse der zu testenden und zu messenden zylindrischen Stange 10 ausgefluchtet ist, wobei sich die dem Joch gegenüberliegenden freien Enden der Pole ganz in der Nähe der Stange 10 befinden. Die freien Enden der Pole 1 und 3 sind so ausgebildet, daß sie Polflächen 11 bzw. 12 bilden, die in einer gemeinsamen zylindrisch gekrümmten Ebene oder Fläche liegen die parallel zur äußeren Fläche einer Stange 10 verläuft, die den maximalen Durchmesser besitzt, für die das Meßgerät konzipiert ist. Die seitlichen Bereiche des äusseren Poles 3 zwischen den Polflächen 12 und die Flachseiten 9 sind ferner mit Abschrägungen 13 versehen.

Die Anbringung der Flachseiten 9 und der Abschrägungen 13 an den Seiten des äußeren Poles 3 dienen dazu, die Polfläche 12 auf dazwischenliegende Bereiche zu begrenzen, die in Längsrichtung der Stange 10 verlaufen, um auf diese Weise den magnetischen Fluß über die Länge der Stange 10 zu konzentrieren, d.h. längs einer parallel zur Achse der Stan-

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ge 10 verlaufenden Magnetachse.

Der Mittelpol 1 weist zwei koaxiale Polschuhe 14 und 15 auf, wobei der innere zylindrische Polschuh 14 innerhalb des äußeren rohrförmigen Polschuhes 15 axial einstellbar ist und beide Polschuhe innerhalb des Joches 4 axial einstellbar sind. Die Polschuhe sind an ihren freien Enden so ausgestaltet, daß sie die Polfläche 11 bilden, und für Hochfrequenzen ausgelegte Sende- und Empfängerspulen 16 bzw. 17 sind auf der Polfläche 11 der Polschuhe 14 bzw. angeordnet. Beide Spulen 16 und 17 sind über die Länge der Stange 1O langgestreckt angeordnet. Die Sendespule 16 besteht aus wenigen Wicklungen aus Draht mit relativ großem Durchmesser oder Abmessungen, während die Empfängerspule 17 aus einer großen Anzahl von Wicklungen aus Draht mit relativ kleinem Durchmesser oder Abmessungen besteht. Um die beiden Spulen 16 und 17 sind Kupferschirme oder Abschirmungen 18, 19 angeordnet, um die elektromagnetische Kopplung zwischen den Spulen zu begrenzen, und jede Spule ist sandwichartig zwischen einer isolierenden Trägerschicht 20 und einer aus Keramik bestehenden Vorderabdeckung 21 angeordnet .

Üblicherweise können Meßgeräte der dargestellten Art verwendet zu werden, um zylindrische Stangen in einem Bereich von Durchmessern zwischen 70 und 280 mm zu messen.

Eine andere Ausführungsform des neuartigen Meßgeräts ist in Fig. 4 dargestellt und in ähnlicher Weise aufgebaut wie die Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3, mit Ausnahme der Anordnung und Konstruktion des Mittelpoles 1 und der Anordnung der Sende- und Empfängerspulen 16, 17. Anstatt die beiden Spulen 16, 17 koaxial an den Endflächen der beiden koaxialen Polschuhe 14, 15 anzuordnen, ist jede der beiden

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Spulen 16, 17 an der Endfläche oder Stirnseite eines entsprechenden Polschuhes 22, 23 angeordnet, der innerhalb einer entsprechenden Bohrung in dem einen Polschuh 15 axial einstellbar ist, wobei die beiden Polschuhe 22, 23 im Abstand längs der Magnetachse angeordnet sind, die parallel zur Achse der zu messenden Stange verläuft. Jede Spule ist längs der Magnetachse langgestreckt angeordnet, so daß sie eine Strahlcharakteristik besitzt, die dementsprechend längs der Magnetachse verläuft, so daß sich die ausgesendeten und empfangenden Strahlen innerhalb der zu testenden Stange überlappen. Ein Kupferschirm oder eine Kupferabschirmung 24 umgibt jede Spule 16, 17, und wie bei der ersten Ausführungsform ist jede Spule sandwichartig zwischen einer isolierenden Trägerschicht und einer aus Keramik bestehenden Vorderabdeckung angeordnet.

Ein besonderer Vorteil der zweiten Ausführungsform nach Fig. 4 besteht darin, daß sie einen verbesserten Betrieb beim Messen von Stangen mit kleineren Durchmessern ermöglicht, da sie jeglichen Nulleffekt im Zentrum des Strahlmusters vermeidet, der möglicherweise durch die koaxiale Spulenanordnung bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3 auftreten kann.

Bei anderen Ausführungsformen des neuartigen Meßgerätes kann der Magnet so konstruiert sein, daß das freie Ende lösbar angeordnet ist, etwa längs der gestrichelten Linie 25 in Fig. 1, um eine Flachseite zum Messen von flachen Körpern freizulegen, wobei ein weiteres Paar von Sende- und Empfängerspulen an der ebenen Polfläche des Mittelpoles angeordnet ist.

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Leerseite

Claims

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PAx^TAN DR.KABOR &DR.KLl'

K 12 473 Sj/so .

T.I. (GROUP SERVICES) LIMITED
T.I. House, Five Ways,
Birmingham B16 9PW "*
Großbritannien

Elektromagnetisch-akustisches Meßgerät

Patentansprüche

ί 1J Elektromagnetisch-akustisches Meßgerät, mit einem Magneten mit Mittelpol, der von einem rohrförmigen
äußeren Pol umgeben ist, und mit in der Nähe der Polfläche des Mittelpoles angeordneten Sende- und Empfängerspulen, dadurch gekennzeichnet, daß die Polfläche (12) des rohrförmigen äußeren Poles (3) in diner gekrümmten Fläche angeordnet ist, wobei der größere Teil ihrer Fläche in diametral gegenüberliegenden Bereichen längs .einer Magnetachse konzentriert ist, die senkrecht zu einer Krümmungslinie der Poltlache verläuft, so da£ dann, wenn die Polfläche in der Nähe der Oberfläche des zu messenden Körpers (10) angeordnet ist, der magnetische Fluß längs der Magnetachse konzentriert ist.

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ORIGINAL INSPECTED
2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige äußere Pol (3) eine Seitenwand mit diametral gegenüberliegenden Eiereichen längs der Krümmungslinie aufweist, die mit reduzierter Dicke ausgestattet sind, um den größeren Teil der Fläche der Polfläche (12) längs der Magnetachse zu konzentrieren.
3. Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch g e k e η n-

zeichnet, daß die Bereiche reduzierter Dicke Teile (9) aufweisen, die sich längs der Axiallänge des Poles (3) erstrecken.
4. Meßgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e k e η nzeichnet, daß die Bereiche reduzierter Dicke Abschrägungen (13) aufweisen, die zwischen der Polfläche (12) und dem äußeren Umfang des Poles (3) angeordnet sind.
5. Meßgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige äußere Pol (3) zylindrisch ausgebildet ist und die diametral gegenüberliegenden Bereiche Flachseiten (9) oder Abschrägungen (13) aufweisen, die am Außenumfang ausgebildet sind.
6. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Fläche (12) eine Zylinderfläche ist.
7. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfängerspulen (16, 17) koaxial an der Polfläche (11) des Mittelpoles (1) angeordnet sind.

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8. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfängerspulen (16, 17) im Abstand längs der Magnetachse angeordnet sind.
9. Meßgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch g ekennzeichnet, daß die Sende- und Empfängerspulen (16, 17) längs der Magnetachse langgestreckt angeordnet sind.
10. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet ein Elektromagnet mit einer Wicklung (2) ist, die zwischen dem Mittelpol (1) und dem äußeren Pol (3) innerhalb eines geschlossenen Raumes angeordnet ist, der von dem äußeren Pol (3), einer den Mittelpol (1) aufnehmenden inneren Hülse 06), einem die beiden Pole verbindenden Joch (4) und einer dem Joch gegenüberliegenden ringförmigen Platte (5) definiert ist, wobei Fluidverbindungen (7) für ein Kühlmittel vorgesehen sind, das den abgeschlossenen Raum durchströmt .

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