DE3120522A1

DE3120522A1 - "absolutmessung der elektrischen leitfaehigkeit und der magnetischen permeabilitaet ohne eichnormale"

Info

Publication number: DE3120522A1
Application number: DE19813120522
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr.rer.nat. 6676 Mandelbachtal Becker; Kurt Dipl.-Phys. 6696 Nonnweiler Betzold; Christoph Dipl.-Ing. 6603 Neuweiler Rodner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1981-05-22
Filing date: 1981-05-22
Publication date: 1982-12-16
Also published as: DE3120522C2

Description

Absolutmessung der elektrischen Leitfähigkeit
und der magnetischen Permeabilität ohne Eichnormale 1. Einleitung Die elektrische Leitfähigkeit und magnetische Permeabilität sind bei der Wirbelstromprüfung die elektrotechnischen Basiskenngrößen zur Kennzeichnung der Werkstoffeigenschaften eines Prüfobjektes. Beide Kenngrößen schlagen sich in der Impedanz der Prüfspule nieder, die gemessen wird. Aus der Impedanz der Spule muß auf indirektem Wege über die elektrische Leitfähigkeit und magnetische Permeabilität auf die Materialeigenschaften geschlossen werden. Mit den handelsüblichen Meßgeräten, die auf dem Prinzip der Wirbelstromprüfung arbeiten, kann nicht ohne weiteres auf die absoluten Werte der Leitfähigkeit und Permeabilität geschlossen werden.
Das Problem wird dadurch erschwert, daß sich beide Einflußgrößen i.a. gleichzeitig als Funktion der metallurgischen Parameter ändern. Andererseits würde ein Verfahren, das die absolute und voneinander unabhängige Angabe der Leitfähigkeit und Permeabilität ermöglicht, einen wesentlichen Beitrag zur sichereren und differenzierteren Beschreibung der Werkstoffzustände leisten. Im folgenden wird einsatz zur Lösung'dieses Problems aufgezeigt.
2. Vorgehensweise Die Abb. 1 zeigt die normierte Impedanzortskurve einer Abtastspule über einem eben ausgedehntem, ferritischen Prüfobjekt und ist das Ergebnis des Einsatzes eines Rechnerprogramms das die Spulenimpedanz unter anderem als Funktion der Prüffrequenz, der Permeabilität, der Leitfähigkeit und auch der Spulenabmessungen berechnet. Durch Vergleich mit Messungen an bekannten Prüfobjekten ist nachgewiesen, daß die Rechnung genügend genau mit der Praxis übereinstimmt.
Auf dem durchgezogen gezeichneten Teil der Ortskurve sind 4 Arbeitspunkte bei 50 Hz, 500 Hz, 5 kHz und 1 MHz markiert.
Die Leitfähigkeit ist dort 3 m/Amm2, die relative Permeabilität ist 1024. Von den Arbeitspunkten gehen nach unten, gestrichelt gezeichnet, weitere Ortskurven aus, die bei festgehaltener Leitfähigkeit für abnehmende Permeabilität gelten; die Größe der Permeabilität gezeichneten Pfeile ergeben die Impedanzänderung, wenn sich die elektrische Leitfähigkeit von 3 m/Amm2 auf 5 mm mm² erhöht. Mehrere Aussagen können abgelesen werden: 1. Der Winkel zwischen Leitfähigkeits- und Permeabilitäts--effekten ist um so größer, je kleiner die Prüf frequenz.
2. Bei hohen Prüffrequenzen (hier 1 MHz) können Leitfähigkeits- und Permeabilitätseffekte nicht unterschieden werden.
3. Bei niedrigen Prüffrequenzen (hier 50 Hz) ist die Em pfindlichkeit für Leitfähigkeitseffekte gering; die Permeabilitätsmessung ist daher praktisch unabhängig von der Leitfähigkeit.
4. Die Unterscheidungsmöglickeit (Auflösung) unterschiedlicher Permeabilitätswerte ist um so besser, je höher die Prüffrequenz ist.
5. Der funktionale Zusammenhang, zwischen Meßeffekt und Permeabilität zeigt Sättigungsverhalten je niedriger die Prüffrequenz ist.
6. Jedem Wert der normierten Spuienimpedanz ist eindeutig ein Leitfähigkeits-Permeabilitäts-Paar zugeordnet.
Daraus folgt für ein Meßverfahren zur Bestimmung der Leitfähigkeit und Permeabilität: Wenn die Spulenimpedanz an genügend dichten Gitterpunkten in der Impedanzebene als Funktion von Leitfähigkeits-Permeabilitäts-Paaren bekannt ist, kann aus einer Messung der Impedanz absolut auf die aktuelle Leitfähigkeit und Permeabilität geschlossen werden. Die Prüf frequenz ist in einem mittleren Bereich (hier kHz) zu wählen. Interessiert nur die Permeabilität, allerdings unabhängig von der Leitfähigkeit, dann ist eine niedrige Prüffrequenz (hier 50 Hz) zu wählen. Die genannten Frequenzwerte hängen von den Abmessungen der Prüfspule ab.
Aus der Aussage Nr. 5 folgt, daß bei einer mittleren Prüffrequenz (l l kHz), die für die Trennung von Leitfähigkeits-und Permeabilitätseffekten am günstigsten ist, das Verfahren nicht mehr für die Bestimmung von höheren Permeabilitätswerten eingesetzt werden kann. Aus Abb. 1 geht hervor, daß Permeabilitäten >20 praktisch nicht mehr unterschieden werden können. Dies gilt für Abtastspulen. Diese können deshalb geeignet z.B. für die Prüfung von Restferrit in Austeniten und austenitischen Schweißungen eingesetzt werden.
Eine Messung von hochpermeablen Werkstoffen ist mit Abtastspulen nicht möglich; hier müssen umfassende Spulen oder kleine Jochspulen eingesetzt werden. Die Abb. 2 zeigt die berechneten Impedanzortskurven für eine umfassende Spule um einen ferritischen Stab. Ähnlich wie in Abb. 1 sind fünf Ortskurven markiert, wobei die Permeabilität von 1024 bis 1 bei konstanter Leitfähigkeit von 3 m/Q mm2 variiert. Von den Ortskurven aus zeigen die Pfeile die Impedanzänderungen, wenn die Leitfähigkeit von 3 m/mm2 auf 5 m/mm2 erhöht wird. Abweichend vom Verhalten der Abtastspule gilt: 1. Die Permeabilitätsmessung ist für µ# 20 auch bei extrem niedrigen Prüffrequenzen (c; l Hz) nicht unabhängig von der Leitfähigkeit.
2. Leitfähigkeits- und Permeabilitätseffekte können schon ab einer Frequenz >1 kHz nicht unterschieden werden.
3. Bei einer Prüf frequenz von 50 Hz bis 100 Hz können Leitfähigkeits- und Permeabilitätseffekte gut unterschieden werden und auch große Werte der Permeabilität können aufgelöst werden.
Das im Anspruch angegebene erfindungsgemäße Verfahren gestattet im Gegensatz zu den oben gemachten Aussagen auch die Anwendung von Abtastspulen für hochpermeables Material.
Durch Anwendung einer Vormagnetisierung im Bereich der Meßspule wird die Permeabilität des Prüfobjektes reduziert, und zwar so weit, daß sich in der Impedanzebene in Abb. 1 ein Arbeitspunkt ergibt, in dem eine Phasenaufspaltung für oil und ij-Effekte vorliegt und in dem o* unabhängig von A bestimmt werden kann. Die Prüffrequenz ist 15 kHz.
Nach Kenntnis der Leitfähigkeit kann bei einer hohen Prüffrequenz (1 MHz in Abb.1) die Permeabilität (ohne Vormagnetisierung) bestimmt werden.
3. Realislerung der Meßverfahren In Abb. 3 ist das Prinzipschaltbild einer Geräteprototyps, der das beschriebene Meßverfahren realisiert, dargestellt. Der linke Teil zeigt einen konventionellen NF-Wirbelstrommeßaufbau mit Stromgenerator, Prüfspule und'Sample-Hold-Schaltung. Am Ausgang liegt die Spulenimpedanz nach Real- und Imaginärteil aufgespalten vor.
Es schließt sich die auswertung ineinem Mikroprozessor an. Die aktuellen, im Prüfablauf anfallenden Impedanzmeßwerte werden mit Werten verglichen, die in einem Speicher abgelegt sind, und deren Zuordnung zu den Leitfähigkeit-Permeabilitäts-Paaren - bekannt ist. Über Vergleichs- und Interpolationsroutinen werden die dem aktuellen Impedanzmeßwert zugeordnete Leitfähigkeit und Permeabilität bestimmt und ausgegeben.
Die im Speicher abgelegten Vergleichswerte werden aus numerischen Berechnungen oder, falls dies nicht möglich ist, aus Messungen an Proben mit definierten elektrischen und magnetischen Eigenschaften gewonnen.

Claims

Patentanspruch Verfahren zur absoluten und von einander unabhängigen Bestimmung der Permeabilität und Leitfähigkeit von Werkstoffen mittels einer Impedanzmessung mit Hilfe einer Abtastspule d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß bei einer niedrigen Prüffrequenz nach Vormagnetisierung des Werkstoffes die Leitfähigkeit bestimmt wird und danach bei einer höheren Frequenz die Permeabilität ohne Vormagnetisierung bestimmt wird.