DE29517292U1

DE29517292U1 - Wirbelstrom-Sondensystem

Info

Publication number: DE29517292U1
Application number: DE29517292U
Authority: DE
Original assignee: AEROSAFE TRADING
Current assignee: AEROSAFE TRADING
Priority date: 1995-11-02
Filing date: 1995-11-02
Publication date: 1995-12-14
Anticipated expiration: 2005-11-03

Description

Wirbelstrom-Sondensystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wirbelstrom-Sondensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Sonde dient zur Detektion von Korrosion und Rissen in ein- oder mehrlagigen Strukturen aus nicht-ferromagnetischen Blechen, wie sie üblicherweise bei Flugzeugen und vergleichbaren Konstruktionen benutzt werden.

Korrosion und Rißbildung stellen in der Luftfahrt ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Zur Detektion derartiger Fehler, insbesondere verdeckter Korrosionsschäden, wird das Wirbelstromverfahren eingesetzt. Dazu werden bei der

Patentanwälte · European PatentJAitorJi^s,- Zifgjlasssn'e'VerJreteiJbeiJn'EuJopäischen Patentamt

Rechtsanwalt: zugelassen bei de« Hara&urger öeachien

Deutsche Bank AG Hamburg, Nr. 05 28497 (BLZ 200 700*0*0)* Postbank Hamburg* *Nr. 28 42 206 (BLZ 200 100 20) Dresdner Bank AG Hamburg, Nr. 933 60 35 (BLZ 200 800 00)

herkömmlichen Wirbelstromprüfung zum Nachweis obiger Schäden sogenannte Absolutsonden eingesetzt. Hierbei handelt es sich um Sonden, die auf alle Parameter, die bei dem Wirbelstromverfahren eine Veränderung dear induzierten Spannung hervorrufen, im wesentlichen gleichermaßen reagieren. So werden z.B. Blechdickenänderungen, Leitfähigkeitsvariationen und unterschiedliche Farbschichtdicken ebenso angezeigt, wie Korrosionsschäden. Bei zu untersuchenden Strukturen, die aus mehreren Blechlagen bestehen, wirken sich zudem insbesondere Spalte zwischen den Lagenabständen störend aus. Zu deren Kompensation muß die Frequenz der Sonde auf die Dicke der äußeren Lage abgestimmt werden. In der Praxis ist jedoch eine Fehlerfindung in der zweiten oder dritten Lage wegen der oben genannten Störeffekte kaum möglich. Bei den üblichen geklebten oder vernieteten mehrlagigen Strukturen im Flugzeugbau tritt Korrosion jedoch auch in der zweiten oder dritten Blechlage auf.

Zur Bewertung und Unterscheidung verschiedener Signalursachen erfolgt die herkömmliche Messung im sogenannten Impedanzebenen-Modus, bei dem Phasenlage und Amplitude der induzierten Spannung registriert werden. Dazu sind jedoch aufwendige und teure Geräte erforderlich. Darüber hinaus bietet auch die sogenannte Mehrfrequenzprüfung Teillösun-

gen hinsichtlich der oben beschriebenen Nachteile, Diese Mehrfrequenzprüfung ist jedoch sehr kompliziert und ebenfalls aufwendig und teuer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wirbelstromsondensystem zur Verfügung zu stellen, das im wesentlichen nur fehlerhafte Stellen in einer zu untersuchenden Struktur registriert, insbesondere nicht dickenabhängige Meßsignale liefert, und das zudem wenig aufwendig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Wirbelstrom-Sondensystem enthält in der Sonde eine Empfängerspulenanordnung, die zwei derart geschaltete Spulen aufweist, daß die Differenz der in ihnen induzierten Spannungen gemessen wird. Diese beiden Spulen sind ineinander angeordnet und parallel zur Unterseite der Sonde ausgerichtet, mit der die Sonde über eine zu untersuchende Fläche geführt wird.

Aufgrund der selbst-kompensierenden, sich aus der Differenzschaltung der Empfängerspulen ergebenden Wirkungsweise der Sonde wird keine Änderung der zu untersuchenden Struk-

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tur, z.B. der Blechdicke, Leitfähigkeit oder der Farbschichtdicke, angezeigt. Durch Richtungsabhängigkeit eines Senders, z.B. eines U-förmigen Senders, ist je nach Sondenlage eine Kompensierung und Detektierung von verdeckten Kanten möglich. Dabei wird ein Prüfer in der Regel durch A-Priori-Kenntnisse über vorliegende Dickenänderungen eine Kante vermuten, wobei er durch eine Variation der Verfahrrichtung der Sonde, wie unten näher beschrieben ist, eine vermutete Kante verifizieren kann. Bei geringen Schwankungen einer Materialeigenschaft, die innerhalb eines Toleranzbereiches liegen, wird kein oder nur ein sehr geringes Meßsignal erzeugt. Ein Korrosionsschaden hingegen wird in der Regel auch innerhalb einer sehr kleinen Fläche Unterschiede aufweisen, so daß die entsprechenden Gradienten durch das System registriert werden. Aufgrund dieser ausschließlichen Gradientenmessung ermöglicht das System, Korrosion auch in den unteren Lagen z.B. einer Flugzeugstruktur sicher und störungsfrei nachzuweisen.

Die Spulendurchmesser richten sich nach der zu detektierenden Fehlerabmessung, wobei die ineinander angeordneten Empfängerspulen prinzipiell zu einer guten Ortsauflösung der Sonde beitragen. Vorzugsweise sind die Empfängerspulen so ineinander angeordnet, daß sie einen gemeinsamen Mittelpunkt haben. Die Größe des Empfängersystems ist auf die

Sendergeometrie abgestimmt.

Die Erregerspulenanordnung kann so beschaffen sein, daß sie ein gerichtetes Magnetfeld erzeugt. Dazu kann die Anordnung einen halbkreis- oder U-förmigen Ferritkern aufweisen, wobei die Empfängerspulen vorzugsweise mittig unter dem Ferritkern angeordnet sind.

Der Ferritkern ist mit einer auf die Prüffrequenz abgestimmten Erregerwicklung versehen. Der Polabstand und die Breite des Kerns können entsprechend der Geometrie und Blechdicke des zu untersuchenden Bauteils ausgelegt werden. Eine solche Anordnung des Erregersystems erzeugt in den zu prüfenden Bauteilen einen gerichteten Feldverlauf. Wie unten genauer beschrieben wird, kann mit solch einer Richtcharakteristik der Erregerspulenanordnung auf einfache Weise erreicht werden, daß verdeckte Blechkanten kein Meßsignal hervorrufen, bzw. der Verlauf einer Blechkante verifiziert werden kann.

Die Erregerspulenanordnung kann auch zwei kreuzförmig angeordnete Spulen aufweisen. Mit solcher einer Erregerspulenanordnung können z.B. besser Risse in der Umgebung eines Niets detektiert werden, wobei der Kreuzungspunkt der beiden gerichteten Magnetfelder über den Niet geführt

Die Erregerspulenanordnung kann auch eine Erregerspule aufweisen, die zirkulär angeordnet ist, daß sie ein Magnetfeld ohne Richtungsabhängigkeit erzeugt.

Vorzugsweise ist die an die Erregerspulen anlegbare Frequenz variabel. Für verschiedene Materialien und Aufgaben sind in der Regel verschiedene Frequenzen optimal. Eine Frequenzumschaltung kann außerdem zur selektiven Prüfung und Fehlertiefenbestimmung benutzt werden. Es können z.B. die Frequenzen 1,0 bis 64 kHz benutzt werden, die für den Nachweis von Korrosion an Flugzeugstrukturen besonders günstig sind.

An der Unterseite der Sonde kann ein Blech zum Schutz der Sonde gegen Beschädigung und Verschleiß angebracht sein, vorzugsweise ein Titanblech. Die elektrische Leitfähigkeit solch einer Platte sollte 1 MS/m nicht überschreiten.

Die Steuereinheit des Systems kann so ausgelegt sein, daß sie als Fehlersignale Veränderungen einer Spannungsamplitude anzeigt. Ferner kann die Steuereinheit so ausgelegt sein, daß durch wahlweises Einschalten des Benutzers zusätzlich zu den angezeigten Veränderungen einer Spannungs-

amplitude ein frequenzmoduliertes akustisches Signal erzeugt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Sonde eines Wirbelstrom-Sondensystems.

Fig. 2 erläutert, wie eine Sonde zu führen ist, um Korrosion an einer Kante einer mehrlagigen Struktur zu detektieren.

Fig. 1 zeigt eine Wirbelstromsonde 2, die als wesentliche Bauteile in einem Gehäuse 4 eine Erregerspulenanordnung 6 und eine Empfängerspulenanordnung 8 enthält. Die Erregerspulenanordnung 6 weist einen halbkreisförmigen Ferritkern 10 mit einer Erregerwicklung 12 auf. An diese Erregerwicklung 12 wird eine Wechselspannung mit einer Frequenz von z.B. 250 Hz bis 64 kHz angelegt, die für den Nachweis von Korrosion an Flugzeugstrukturen üblich und günstig sind. Die Empfängerspulenanordnung 8 befindet sich mittig unter dem Ferritkern 10. Sie besteht aus zwei ineinander angeordneten, flachen kreisförmigen Luftspulen 14, 16, die einen gemeinsamen Mittelpunkt haben und so geschaltet

sind, daß die Differenz der in ihnen induzierten Spannungen registriert wird. Die Empfängerspulen sind auf eine möglichst kleine Restspannung abgeglichen. Die Unterseiten der Empfängerspulen 14, 16 sind parallel zu einer Unterseite 18 der Sonde ausgerichtet. Das gesamte Spulensystem ist durch eine an der Unterseite der Sonde 2 angebrachte Platte 20 gegen Beschädigung und Verschleiß geschützt. Die Platte 20 besitzt eine elektrische Leitfähigkeit, die geringer ist als 1 MS/m. Über ein Anschlußteil 22 ist die Sonde 2 mit einer elektronischen Steuer- und Auswerte- und Anzeigeeinheit (nicht gezeigt) verbunden.

Bei Anlegen.der Wechselspannung wird durch die Erregerspulenanordnung 6 ein Magnetfeld mit einem zwischen den beiden Polen des Ferritkerns 10 gerichteten Feldverlauf erzeugt. Dieses sich zeitlich verändernde Magnetfeld erzeugt wiederum ein Wirbelstromfeld in dem zu untersuchenden Material, das ein Magnetfeld erzeugt, das dem Erregermagnetfeld entgegengerichtet ist. Eine entsprechende Veränderung der Magnetfeldstärke am Ort der Empfängerspulenanordnung wird von den Empf ängerspulen in Form von sich ändernden induzierten Spannungen registriert. Die Differenz der beiden Spannungen der Empfängerspulen 14, 16 wird von der Steuereinheit in Form einer Amplitudenanzeige als Fehlerverifizierung mittels eines Zeigerinstruments angezeigt.

Dazu ist die Elektronik so ausgeführt, daß von Korrosionsschäden immer ein positiver Zeigerausschlag erzeugt wird. Fehlerinterpretationen sind dadurch weitgehend ausgeschlossen.

Die Prüffrequenz und der Polabstand des Ferritkerns 10 bestimmen zusammen die Eindringtiefe des Wirbelstromfeldes und sind indirekt durch die Prüfaufgäbe vorgegeben. Zum Beispiel erfordern 3 ram Aluminium eine Frequenz von 2 kHz und einen Polabstand von ca. 20 mm.

Die elektronische Steuereinheit ist so ausgelegt, daß zusätzlich zu der Amplitudenanzeige auch ein frequenzmoduliertes akustisches Signal, wählbar durch einen Schalter, erzeugt wird. Ferner ist die Prüfempfindlichkeit über eine Einstellvorrichtung frei wählbar. Zur Optimierung der Auswertung bei kritischen Prüfaufgaben kann über eine weitere Einstellvorrichtung die Anzeige von Störungen, wie einem Abheben der Sonde, minimiert werden. Durch einen Taster kann die Kompensation der Restspannung der in Differenz geschalteten Sonden erfolgen. Auf diese Weise wird die Nadel des Anzeigeinstruments auf den Nullpunkt der Skala gestellt. In Abhängigkeit von der zu prüfenden Blechdicke bzw. der erforderlichen Eindringtiefe kann die Prüffrequenz variiert werden.

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Fig. 2a zeigt eine Teilschnittansicht einer zu prüfenden Flugzeugstruktur 24, die aus drei Lagen besteht, z.B. aus drei einen Millimeter dicken Aluminiumblechen. Die oberste Lage 2 6 weist in einer Richtung die größte Ausdehnung auf, und die mittlere Lage 28 weist in derselben Richtung eine größere Ausdehnung auf als die unterste Lage 30. Dadurch sind zwei Kanten 32, 34 unterhalb der obersten Lage 26 ausgebildet. An der Kante 32 befindet sich ein Korrosionsschaden 36. Ebenfalls befinden sich Korrosionsschäden 38, 40 zwischen der mittleren und der untersten Lage 28, 30. Eine Wirbelstromsonde (hier ebenfalls mit 2 bezeichnet), die ein gerichtetes Magnetfeld wie die in Fig. 1 gezeigte Sonde erzeugt, befindet sich auf der Oberfläche der simulierten Flugzeugstruktur 24.

In Fig. 2b ist die Struktur 24 in Draufsicht gezeigt, wobei die Kanten 32, 34 der mittleren und der untersten Blechlage 28, 30 durch gestrichelte Linien 42 und 44 angedeutet sind.

Aufgrund der Richtcharakteristik der Erregerspulenanordnung 6 kann die Sonde 2 so über die verdeckten Blechkanten 32, 34 geführt werden, daß ein Signal von der Steuereinheit angezeigt wird, wodurch auf einfache Weise der Verlauf der Blechkanten verifiziert werden kann (siehe ge-

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strichelte Position der Sonde 2 in Fig. 2b). Wenn die Sonde 2 parallel zur Kante ausgerichtet ist, so daß das von der Erregerspulenanordnung 6 erzeugte, entlang der Sondenachse 46 gerichtete Magnetfeld parallel zu der Kante 32 ausgerichtet ist, und die Sonde 2 im wesentlichen in dieser Ausrichtung senkrecht zu der Linie 42 (und damit zu der Kante 32) geführt wird, wie durch die Pfeile 48 angedeutet ist, werden an der Kante 32 Wirbelströme und damit eine Spannung in den beiden Empfängerspulen 14, 16 erzeugt, wenn das gerichtete Magnetfeld 46 die Linie 42 erreicht. Aufgrund der Anordnung der Empfängerspulen in der Mitte des Ferritkerns 10 werden diese Spannungen gleichzeitig - und nicht nacheinander - in den Empfängerspulen 14, 16 erzeugt. Da die beiden Spulen in Differenz geschaltet sind, kompensieren sich diese beiden Spannungen jedoch gegenseitig, so daß kein Meßsignal angezeigt wird.

Durch eine Bewegung der Sonde entlang der Kante 32 mit parallel zu dieser ausgerichtetem Magnetfeld oder in der gestrichelten Position kann anschließend die Kante auf Korrosionsschäden, wie z.B. den Schaden 36, hin untersucht werden.

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Claims

- 12 Ansprüche

1. Wirbelstrom-Sondensystem zur Detektion von Korrosion und Rissen bei Nichteisenblechen mit einer eine Erregerspulenanordnung (6) und eine Empfängerspulenanordnung (8) aufweisenden Sonde (2) und einer elektronischen Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerspulenanordnung (6) aus zwei zur Differenzbildung der induzierten Spannungen geschalteten Spulen (14, 16) besteht, die ineinander angeordnet und parallel zur Unterseite (18) der Sonde (2) ausgerichtet sind, mit der die Sonde über eine zu untersuchende Fläche geführt wird.

2. Sondensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerspulen (14, 16) einen gemeinsamen Mittelpunkt haben.

3. Sondensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspulenanordnung (6) so beschaffen ist, daß sie ein gerichtetes Magnetfeld erzeugt.

4. Sondensystem ,nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspulenanordnung (6) einen halbkreis-

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U-förmigen Ferritkern (10) aufweist.

5. Sondensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerspulen (14, 16) mittig unter dem Ferritkern (10) angeordnet sind.

6. Sondensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspulenanordnung (6) zwei kreuzförmig angeordnete Spulen aufweist.

7. Sondensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspulenanordnung eine Erregerspule aufweist, die zirkulär derartig angeordnet ist, daß sie ein Magnetfeld ohne Richtungsabhängigkeit erzeugt.

8. Sondensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Erregerspulen anlegbare Frequenz variabel ist.

9. Sondensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen 250 Hz bis 64 kHz vorgegeben sind.

10. Sondensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Unterseite der Son-

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de ein Blech, mit einer elektrischen Leitfähigkeit von höchstens 1 MS/m angebracht ist, vorzugsweise ein Titanblech.

11. Sondensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit als Fehlersignale Veränderungen einer Spannungsamplitude anzeigt.

12. Sondensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit schaltbar zusätzlich ein frequenzmoduliertes akustisches Signal erzeugt.