DE2850433C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Oberflächenprüfung eines langge­ streckten metallischen Körpers entsprechend dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Vorrichtung ist Gegenstand des Hauptpatentes 25 28 625. Diese Oberflächenprüfvorrichtung gemäß dem Hauptpatent hat gegenüber anderen unter Verwendung von Hochfrequenzwirbelströmen arbeitenden Vorrichtungen, wie sie beispielsweise in der DE-OS 20 44 331 beschrieben sind, den Vorteil, daß auf eine Einpegelung der Abtastsonde in vorbe­ stimmter Höhe über der zu prüfenden Oberfläche verzichtet werden kann, ohne daß sich bei Abstands­ änderungen Fehler ergeben.

Die US-PS 3 97 442 beschreibt eine Werkstückprüf­ vorrichtung, bei der eine durch Hochfrequenz erregte Wirbelstromsonde einen Doppelkanalempfänger auf­ weist, der auf Signale anspricht, die erstens auf Oberflächenfehler und zweitens auf den Abstand zwischen Sonde und Oberfläche derart ansprechen, daß in einem Kanal ein vorbestimmter Faktor in der Signalwellenform charakteristisch für die Ober­ flächenfehler ist, während in dem anderen Kanal ein vorherrschender Faktor die Signalcharakteristik des Abstandes zwischen Sonde und Oberfläche ist. Die von den beiden Kanälen gelieferten Signale werden kombiniert, um Ausgangssignale zu liefern, die den Oberflächenfehlern repräsentativ sind, und zwar kompensiert im Hinblick auf Änderungen der Empfind­ lichkeit, die von Änderungen des Abstandes zwischen Sonde und Oberfläche während des Abtastens herrühren.

Die DE-AS 17 73 501 beschreibt ein zerstörungsfreies Prüfsystem, welches eine Sonde aufweist, um in der Oberfläche des Werkstücks Wirbelströme zu erzeugen. Die Primärwicklungen der Sonde sind so gekoppelt, daß ein gesteuertes Signal erzeugt wird, das eine Funktion des Abstandes zwischen Sondenoberfläche und der Oberfläche des Werkstücks ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung derart zu verbessern, daß bei einfachem Aufbau noch höhere Abtastgeschwindig­ keiten in einem weiten Bereich von Abständen zwischen Sonde und Oberfläche des zu prüfenden Körpers er­ reicht werden können.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kenn­ zeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Schaltungsanordnung ermöglicht in einem weiten Bereich eine Feststellung von Oberflächenfehlern und sie ist insbesondere ge­ eignet zur Prüfung von Oberflächenfehlern in lang­ gestreckten Stahlblöcken. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, worin auch besondere Anordnungen gekennzeichnet sind, die eine Anpassung an die jeweilige Querschnittsform der Stahlblöcke ermöglichen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 bis 3 Blockschaltbilder der gemäß der Erfindung ausgebildeten Vorrichtung;

Fig. 4a bis 4f Wellenform-Diagramme, die typische Eingangs- und Ausgangssignale veranschaulichen, die in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 verarbeitet werden;

Fig. 5 eine spezielle Ausführungsform eines Detektors zum Abtasten der Oberfläche eines Stahlbarren;

Fig. 6 eine spezielle Ausführungsform eines Detektors zum Abtasten einer Ecke eines Stahlblocks mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt.

Fig. 1 zeigt eine Spule 1, eingesetzt in einen Sondenkopf, der die Oberfläche des Stahlblockes 2 überquert und den induktiven Teil eines abgestimmten Hochfrequenz-Oszillatorkreises 3 bildet, der mit einer Frequenz von z. B. 2 MHz arbeitet. Der Oszillatorkreis erzeugt einen Konstantstrom, der der Spule 1 zugeführt wird, und deshalb wird die Amplitude, die über der Spule abgenommen wird, durch die Widerstandseigenschaften der Spulenimpedanz und die Schwingungsfrequenz bestimmt durch die reaktive Komponente der Spulenimpedanz. Änderungen im Abstand zwischen der Spule und der Oberfläche des Stahlblocks 2 (Abheben) und die Oberflächenbedingung des Stahlblocks er­ zeugen infolgedessen entsprechende Änderungen in Amplitude und Frequenz des Oszillatorkreises.

Die Oberflächenbedingungen, die von der Sonde abgefühlt werden, umfassen Oberflächendefekte, z. B. Risse oder Oberflächenbe­ schädigungen, die durch örtliche Erhitzung verursacht wurden, sowie lokale Magnetflächen, die bei der Entmagnetisierung nicht entfernt wurden.

Amplitude und Frequenz des Oszillatorausgangs sind beide ab­ hängig von dem Abheben der Sonde und von Fehlstellen, während der Amplitudenausgang in erster Linie abhängig ist von dem Abheben der Sonde.

Ein Pufferverstärker 4 trennt die Frequenz- und Amplituden­ information, die von dem Oszillator 3 erhalten werden, in zwei Grundinformationskanäle 5 und 6, die jeweils für den Gehalt der Fehlstelle als auch für den Gehalt des Abhebens der Sonde der Ausgangssignale vom Oszillatorkreis 3 charakte­ ristisch sind. Die Kanäle 5, 6 sind in der Lage, lange Kabel zu führen, die den Probenkopf mit einer entfernt angeordneten elektronischen Verarbeitungsschaltung verbinden.

Der Frequenzkanal 5 weist einen Frequenzmodulator 7 und Differenzierglieder 8, 9 auf, um das Basisfehlsignal zu liefern. Ein Ansprechen, das charakteristisch ist für wirkliche Fehler wird dadurch verbessert, daß eine nachfolgende Behandlung in weiteren, die Ableitungen behandelnden Vorrichtung erfolgt, wie im folgenden im einzelnen in Verbindung mit Fig. 3 er­ läutert wird. Dadurch werden jegliche unerwünschten Restsignale reduziert.

Der Abhebgehalt des Ausgangssignals der Oszillatorschaltung 3 wird daraufhin benutzt, um das Fehlsignal für die Wiederge­ winnungsoberfläche zu kompensieren, im Hinblick auf Verände­ rungen der Empfindlichkeit, die durch Änderungen beim Abheben der Sonde verursacht werden. Der Amplitudenkanal 6 ist auf einen Standardpegel in einem Verstärker 11 geeicht und führt zu einem Funktionsgenerator 12, um ein Signal zu erzeugen, welches im Hinblick auf eine Kompensation bezüglich des Abhebens erforderlich ist.

Die verarbeiteten Frequenz- und Amplitudensignale der Kanäle 5, 6 werden den Eingängen einer Multiplizierstufe 13 zuge­ führt, um das erforderliche Fehlsignal zu erzeugen, das frei ist von Empfindlichkeitsänderungen, die durch Änderungen hinsichtlich des Abhebens der Sonde verursacht sind. Das kompensierte Fehlerausgangssignal der Multiplizierstufe 13 wird dann weiter verarbeitet, um ein Ausgangssignal zu er­ zeugen, welches treu den Fehler der Blockoberfläche wiedergibt, der von der Sonde festgestellt wurde.

Wenn die Sonde benutzt wird, um eine Fläche eines rechteckigen Stahlblocks abzutasten, dann wird das Ausgangssignal der Multiplizierstufe 13 weiter durch die Vorrichtung gemäß Fig. 2 verarbeitet, und wenn die Vorrichtung benutzt wird, um Ecken des Stahlblocks abzutasten, dann erfolgt eine weitere Verarbeitung durch die Vorrichtung gemäß Fig. 3.

Wenn die Oberfläche des Stahlblocks mit einer Abtastscheibe abgetastet wird, dann erscheint das kompensierte Fehlsignal als eine Wellenform, wie sie in Fig. 4a dargestellt ist. Das Mittelsignal bei 14 ist typisch für einen normalen Saum­ defekt, aber die beiden zusätzlichen flankierenden Signale 15 werden erzeugt, wenn die Sonde sich der Oberfläche des Stahlblocks in Eck­ bereichen desselben nähert, oder diese verläßt. Diese uner­ wünschten zusätzlichen Signale 15 erzeugen Ausgangssignale, die nicht unterscheidbar sind von jenen, die tatsächlichen Fehlstellen entsprechen, wenn nicht Maßnahmen ergriffen werden, um den Unterschied in der Wellenform festzustellen, der von diesen beiden unterschiedlichen Wirkungen herrührt, bevor die Größe des Signals gemessen wird.

Die positiven Ansprechsignale werden abgetrennt durch einen Halbwellengleichrichter 16, der nur die positive Welle hindurchläßt, wie dies in Fig. 2 ersichtlich ist, um eine Wellenform zu erzeugen, wie sie in Fig. 4b dargestellt ist. Dann wird das Signal durch die Differenzierstufe 17 differen­ ziert, wodurch Signale gemäß Fig. 4c erzeugt werden. Die Prüfung dieser Wellenform ergibt, daß die Signale 15, die den Stahlblock-Ecksignalen entsprechen, ein ungleiches positives und negatives Ansprechen zeigen, während das wahre Fehlsignal 14 eine im wesentlichen gleiche bipolare Signalform zeigt. Außerdem sind die Breiten des Ansprechsignals des wirk­ lichen Fehlersignals 14 gleich und gut definiert, während die positiven und negativen Signalwerte der Ecksignale 15 unterscheid­ bar ungleich sind. Diese zwei Wirkungen können ausgenutzt werden, um wirkliche Fehlersignale zu erkennen.

Das differenzierte Ausgangssignal der Differenzierstufe 17 wird zwei Komparatoren 18, 19 zugeführt, um einen Ausgangs­ impuls immer dann zu erzeugen, wenn das positive oder negative Signal einen Bezugspegel überschreitet, der durch einen Kanal 21 den Komparatoren 18, 19 zugeführt wird. Ein wirkliches Fehler­ signal ist erkennbar, weil es erstens den negativen Schwell­ wert überschreitet und dann den positiven Schwellwert innerhalb einer definierten Zeitdauer überschreitet, um einen Ausgangs­ impuls zu erzeugen, der eine Wellenform besitzt, wie dies in Fig. 4e dargestellt ist. Diese definierte Zeitperiode wird durch eine monostabile Zeitstufe 22 erzeugt, die vom Ausgang des Negativkomparators 18 getriggert wird (4d). Die Triggerung der monostabilen Zeitstufe 22 wird durch ein Gatter 20 ver­ hindert, solange das Abheben außerhalb eines vorbestimmten Arbeitsbereiches liegt (Fig. 4f), wodurch weiterhin die Ände­ rung der Behandlung unerwünschter Informationen verbessert wird. Die oben beschriebene Schaltung eliminiert in zufrieden­ stellender Weise Signale, die durch die Sondenspule 1 erzeugt werden, welche die Ecken des Stahlblocks abtastet, um Aus­ gangssignale von einem Gatter 23 zu liefern, die tatsächlich Fehlstellen in der Stahlblockoberfläche repräsentieren, die durch die Abtastsonde festgestellt werden.

Wenn die Ecken im Querschnitt rechteckiger Stahlblöcke über­ prüft werden, dann sind zwei grundsätzlich unterschiedliche Ansprechmöglichkeiten gegeben, und diese sind jenen zuge­ ordnet, die querverlaufende Fehlstellen haben und jenen, die mit in Längsrichtung verlaufenden Fehlstellen verknüpft sind. Um diese beiden Komponenten zu trennen, werden kompensierte Fehlersignale der Multiplizierstufe 13 durch Filter derart geleitet, daß das Ansprechen gegenüber individuellen Schwell­ wertpegeln verglichen werden kann. Querverlaufende Fehlstellen können mit einer höheren Empfindlichkeit festgestellt werden als in Längsrichtung verlaufende Fehlstellen, weil Filter für querverlaufende Fehlstellen sehr viel selektiver arbeiten können und gut definiert sind. Tatsächlich wird dies ge­ wöhnlich benutzt um einen Fehlpegel zum Feststellen von Quer­ fehlern festzustellen, was ein vorgegebener Bruchteil des Pegels ist, der benutzt wird, um Längsfehler festzustellen. Wie in Fig. 3 dargestellt, werden ausgefilterte Ausgangssignale der Multiplizierstufe 13 als Eingänge einem Komparator 24 und über ein Hochpaßfiler 25 einem Komparator 26 zugeführt. Diese gemessenen Signale werden mit einem vorbestimmten Bezugssignal verglichen, welches über den Kanal 27 geliefert wird, und die Ausgänge der beiden Komparatoren 24, 26 werden in einem ODER-Gatter 28 kombiniert, um einen Ausgang zu lie­ fern, der dem Fehler entspricht, der in der abgetasteten Ecke des Stahlblocks entdeckt wurde. Ähnliche Verfahren werden für jede der anderen Sonden durchgeführt, die die Ecke in­ spizieren, und diese Signale werden weiter in einem zweiten ODER-Gatter 29 kombiniert, um ein Fehlerausgangssignal für eine spezielle Stahlblockecke zu erzeugen. Wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2 gewährleistet das Austasten des Abhebens, daß nur dann eine Information erzeugt wird, wenn der Sondenabstand ähnlich ist.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung ist auch nützlich zur Feststellung von Oberflächenfehlern und Bereichen mit bleibender Magnetisierung im Stahlblock.

Der mechanische Aufbau eines typischen Abtastkopfes zum Über­ queren der Oberfläche eines Stahlblocks ist in Fig. 5 darge­ stellt.

In dieser Fig. 5 sind vier im gleichen Abstand zueinander liegende Sondenspulen 31 vorgesehen, von denen nur eine dar­ gestellt ist, und es sind zugeordnete Oszillatorkreise 32 am Umfang eines scheibenförmigen Körpers 33 untergebracht, der eine Welle 34 aufweist, die drehbar in Lagern 35 gelagert ist, und dieser Scheibenkörper wird veranlaßt, sich in einem vorbestimmten Abstand (abgehoben von der Oberfläche) über der Stahlblockoberfläche zu drehen. Die Welle 34 ist mit einem flexiblen Antriebssystem 36 gekuppelt. Die Spule in jeder Sonde ist auf einen Ferritstab aufgewickelt, der in einem tassenförmigen Ferritkern 37 eingesetzt ist. Um die Spule gegen­ über der Dämpfungswirkung irgendeines metallischen Halters abzuschirmen, in den die Sonde eingefügt werden kann, wird die Spule dann in einer Hülse aus rostfreiem Stahl eingebettet. Die Leitungen 39 nach dem Oszillator 32 sind durch den Kopf auf getrennte Schleifringe in einer Einheit 41 geführt, die vom Hinterende der Welle 34 getragen wird, um die von der Schaltung 32 herrührenden Signale durch die Bürsten, die auf den Schleif­ ringen ablaufen, nach einem Pufferverstärker zu leiten, der benachbart zum Kopf angeordnet ist. Die Ausgangssignale vom Pufferverstärker 4 gemäß Fig. 1 werden der vorbeschriebenen Schaltung zugeführt. Damit die Lage einer jeden Sonde identifi­ ziert werden kann, ist ein Zahnrad 42 in der sich drehenden Baueinheit eingebaut, um die Drehstellung jeder Sonde mit hoher Genauigkeit auflösen zu können. Normalerweise werden vier Überwachungsköpfe in der beschriebenen Weise benutzt, um sämtliche vier Flächen eines im Querschnitt quadratischen oder rechteckigen Blocks bei einem Durchlauf abzutasten, so daß ein Überprüfungsmuster erhalten wird, welches von der Durchlaufgeschwindigkeit des Stahlblocks und der Drehgeschwin­ digkeit der Scheibe abhängt. Der mechanische Aufbau eines typischen Kopfes zum Abtasten einer Ecke eines Stahlblockes ist in Fig. 6 dargestellt.

In einer zentralen Ausnehmung 45 eines Gabelgehäuses 46, welches drei Gabelarme 47 besitzt, von denen aus Fig. 6 nur zwei ersichtlich sind, sind drei Sondenspulen 44 gelagert, die Rollen 48 tragen, die in Lagern 49 drehbar sind. Die Sondenspulen 44 sind in Bewegungsrichtung des Stahlblocks ge­ staffelt und so im Abstand zueinander angeordnet, daß jede ein Drittel des zu inspizierenden Eckbereiches abtastet. Die Rollen 48 lagern gegen die beiden Seitenflächen, die die Ecke des zu inspizierenden Stahlblocks 2 flankieren, und zwar zwei Rollen auf je einer Oberfläche bzw. der anderen Oberfläche, wodurch die Sondenspulen 44 in einem vorbestimmten Abstand von der Oberfläche der Ecke gehalten werden. Wie bei der Flächenabtastvorrichtung gemäß Fig. 5 sind die Sondenspulen 44 über einen Oszillator an einen Pufferkreis 4 gemäß Fig. 1 angeschaltet. Die Ausgangssignale der Spulen 44 werden dann durch die aus den Fig. 1 und 3 ersichtliche Schaltung be­ handelt. Um alle vier Ecken des Stahlblocks überwachen zu können, müßten vier Abtastköpfe benutzt werden, von denen jeder die aus Fig. 6 ersichtliche Form aufweist. Bei dieser Anordnung liegt die Gabel des einen Kopfes, die auf einer Fläche des Stahlblocks liegt, zwischen den beiden Gabeln des benachbarten Kopfes, die gegen die gleiche Fläche des Stahl­ blocks lagern und alle vier Köpfe sind in Nachlaufarmgestängen untergebracht.

Um im Querschnitt kreisförmige Rollen, Blöcke oder Stangen zu überprüfen, werden Sondenspulen und zugeordnete Oszillator­ schaltungen in einem ringförmigen Kopf angeordnet, der sich um den Umfang des Blockes oder der Stange dreht. Wenn das jeweilige Werkstück, das überprüft werden soll, durch den Kopf hindurchläuft, findet eine Überprüfung in Form einer vielgängigen Schraube statt, deren Anstiegswinkel von der Drehzahl des Kopfes und der Durchgangsgeschwindigkeit des Werkstücks abhängt. Statt dessen kann das zu überprüfende Werkstück veranlaßt werden, sich zu drehen, und der Abtast­ kopf bleibt stationär oder im wesentlichen stationär. Bei der Behandlung können Signale eines solchen Gerätes wie oben be­ schrieben, zur Eliminierung des "Blockrandsignals" benutzt werden, um Sondensignale zu unterdrücken, die auf Berührungen zurückzuführen sind, welches normalerweise bei einer rotierenden Sonde in Verbindung mit Werkstückoberflächenbedingungen auftritt, die beispielsweise mit einem Stoffüberschuß an diesen Stellen verbunden sind.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ober­ flächenprüfung eines langgestreckten metallischen Körpers, bei der eine durch Hochfrequenz erregte Wechselstrom­ sonde die Oberfläche des metallischen Körpers abtastet und ein Doppelkanal­ empfänger auf Signale dieser Sonde an­ spricht, die (a) von irgendwelchen Oberflächenfehlstellen und (b) von dem Abstand zwischen Sonde und Ober­ fläche in der Weise herrühren, daß in einem Kanal ein vorherrschender Faktor in der Signalwellenform eine Charakteristik von (a) besitzt, während in dem anderen Kanal ein vorherrschender Faktor im Signal durch (b) gekennzeichnet ist, wobei Mittel vorgesehen sind, die diese Signale aus den beiden Kanälen kombinieren, um Ausgangssignale zu liefern, die repräsentativ sind für Oberflächen­ fehler, und die im Hinblick auf die Empfindlichkeitsänderungen kompensiert sind, die von Änderungen im Abstand zwischen Sondenoberfläche und Abtastoberfläche her­ rühren, nach Patent 25 28 625, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (1) den induktiven Teil eines abgestimmten Oszillatorkreises (3) bildet, der an einen Pufferverstärker (4) angeschaltet ist, der Frequenz- und Amplituden-Information trennt und diese, die jeweils für die Oberflächen­ beschaffenheit des Körpers (2) bezw. den Abstand zwischen Sonde (1) und Oberfläche des Körpers charakteristisch sind, in zwei Kanäle (5, 6) des Doppelkanalempfängers richtet, wobei die abgetrennte Frequenz­ information in einem Frequenzdiskriminator und einem Differentiator (7, 8, 9) verarbeitet wird, um ein Signal zu erzeugen, welches re­ präsentativ ist für die Oberflächenbeschaffen­ heit des Körpers (2), während die abgetrennte Amplitudeninformation in einer Konditionierungs­ stufe (11) und einem Funktionsgenerator (12) in der Weise verarbeitet wird, daß ein Signal geliefert wird, das dem Abstand zwischen der Sonde (1) und der Oberfläche des Körpers (2) entspricht, und wobei die Frequenz- und Amplitudensignale einer Multiplizierstufe (13) zugeführt werden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das der Oberflächenbeschaffenheit entspricht, und zwar kompensiert hinsichtlich Änderungen in der Empfindlichkeit, die von Änderungen im Abstand herrühren, der zwischen der Sonde (1) und der Oberfläche des Körpers (2) während der Abtastung vorhanden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, zur Prüfung der ebenen Oberfläche eines langgestreckten metallischen Körpers recht­ eckigen Querschnitts, dadurch gekennzeichnet, daß ein scheiben­ artiges Sondenträgergehäuse drehbar über der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers gelagert ist, wobei die Drehachse senkrecht zur Oberfläche steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sonden im gleichen Abstand zueinander am Umfang des scheibenartigen Gehäuses gelagert sind, und daß jede Sonde über eine elektrische Leitung mit einem Schleifringaufbau ver­ bunden ist, der die Signale der jeweiligen Sonde dem Doppelkanalempfänger zuführt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zur Prüfung einer Ecke eines langgestreckten metallischen Körpers rechteckigen Querschnitts, dadurch gekennzeichnet, daß ein gabelartiges Gehäuse vorgesehen ist, dessen Gabelarme (47) Rollen (48) tragen, die sich gegen die beiden Seitenflächen abstützen, welche die Ecke des zu prüfenden Körpers flankieren, und daß wenigstens eine Sonde innerhalb des Gehäuses zwischen den beiden Gabelarmen angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zur Prüfung der Oberfläche eines langge­ streckten metallischen Körpers kreisrunden Querschnitts, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Sonde tragendes Gehäuse drehbar um die Ober­ fläche des zu prüfenden Körpers gelagert ist.