DE3120522C2

DE3120522C2 - Verfahren zur Bestimmung von Werkstoffeigenschaften

Info

Publication number: DE3120522C2
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: 1985-02-28
Also published as: DE3120522A1

Abstract

Zur Kennzeichnung der Werkstoffeigenschaften eines Prüf objekts werden die elektrische Leitfähigkeit und die magnetische Permeabilität herangezogen, die mittels einer Wirbelstromprüfung aus der gemessenen Impedanz einer Prüfspule ermittelt werden. Es wird eine absolute und voneinander unabhängige Bestimmung der Leitfähigkeit und der Permeabilität auch bei hochpermeablen Werkstoffen ohne Eichnormale angestrebt. Hierzu wird bei einer niedrigen Prüffrequenz von z.B. 5 kHz die Permeabilität des Werkstoffs durch Vormagnetisieren reduziert und dabei die Leitfähigkeit bestimmt, während die Permeabilität bei einer höheren Frequenz von z.B. 1 MHz ohne Vormagnetisieren ermittelt wird. Dabei ergeben sich Leitfähigkeit und Permeabilität durch Vergleich der gemessenen Impedanzwerte der Abtastspule mit gespeicherten Werten, deren Zuordnung zu den Leitfähigkeit-Permeabilität-Paaren aus numerischen Berechnungen oder aus Messungen an Proben mit definierten elektrischen und magnetischen Eigenschaften bekannt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Werkstoffeigenschaften durch Erfassung der Impedanz einer mit Wechselstrom einer vorherbestimmten Prüffrequenz gespeisten und auf das zu untersuchende Prüfobjekt aufgesetzten Abtastspule.

Derartige Verfahren sind aus der DE-OS 23 41 088 sowie aus der DE-OS 24 31 040 bekannt.

Bei dem Verfahren zum Messen der magnetischen oder elektrischen Eigenschaften eines ferromagnetischen Materials gemäß der DE-OS 23 41 088 umfaßt die Erfassung der Impedanz die Messung des Real- und Imaginärteils der effektiven Impedanz der erregten Abtastspule. Um Änderungen im induktiven Anteil der effektiven Impedanz der Abtastspule zu verringern, deren Auftreten aus der Änderung der Spaltbreite zwischen dem ferromagnetischen Prüfobjekt und der Abtastspule zu erwarten sind, wird die Prüffrequenz so gewählt, daß der induktive Anteil der effektiven Impedanz der Abtastspule nahezu konstant bleibt, wenn sich der Spalt während der Messung ändert. Auf diese Weise ist es mit dem bekannten Verfahren möglich, Änderungen der Temperatur des Prüfobjektes zu erfassen, weil diese zu einer Änderung sowohl der elektrischen Leitfähigkeit als auch der magnetischen Permeabilität führen, die ihrerseits Änderungen der effektiven Impedanz der Abtastspule bewirken. Jedoch ist es mit diesem Verfahren nicht möglich, den Wert der elektrischen Leitfähigkeit und den Wert der magnetischen Permeabilität ohne Kenntnis der jeweils anderen Größe zu ermitteln.

Auch bei dem aus der DE-OS 24 31 040 bekannten Verfahren werden Änderungen der Impedanz einer Abtastspule analysiert, wobei jedoch Mehrdeutigkeiten dadurch entstehen, das beciimmte Erscheinungen sowohl eine Änderung der ohmschen als auch der induktiven Komponente der Impedanz bewirken. Das bekannte Verfahren gestattet es, den Übergang eines elektrischen Materials von einem ersten nichtmagnetischen Zustand in einen zweiten magnetischen Zustand zu ermittln, wobei solche Änderungen auch dann zuverlässig ermittelt werden, wenn die Entfernung zwischen der Abtastspule und dem Material Variationen unterworfen ist, die die Impedanz der Abtastsnuie wesentlich beeinflussen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs genannten Art zu schaffen, das es gestaltet, die Leitfähigkeit und die Permeabilität des Prüfobjektes ohne Vorkenntnis der jeweils anderen Größe möglichst genau zu bestimmen, wobei Veränderungen der einen zu messenden Größe den gemessenen Wert der anderen Größe nicht verfälschen sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungs^emäß dadurch gelöst,

ίο daß nach Vormagnetisierung des Prüfobjektes in den Sättigungsbereich ein erster Impedanzwert der Abtastspule bei einer ersten unter 5 kHz liegenden Prüffrequenz gemessen wird, daß ein zweiter Impedanzwert bei einer zweiten höheren Prüffrequenz von etwa 1 MHz ohne Vormagnetisierung des Prüfobjektes gemessen wird und daß aus dem ersten und zweiten gemessenen Impedanzwert durch Vergleichs- und Interpolationsroutinen mit aus numerischen Berechnungen oder aus Messungen an Proben ermittelten, in Speiehern gespeicherten Vergleichs-Impedanzwerten die den aktuellen Impedanzwerten zugeordnete Leitfähigkeit und Permeabilität bestimmt wird.

Auf diese Weise gestattet es die Erfindung, ohne Vorkenntnisse sowohl die Permeabilität als auch die elektrisehe Leitfähigkeit eines Prüfobjektes zu bestimmen und zur Kennzeichnung der Werkstoffeigenschaften eines Prüfobjektes ein einziges Meßverfahren einzusetzen. Während bei handelsüblichen Meßgeiäten, die auf dem Prinzip der Wirbelstromprüfung arbeiten nur bei Kenntnis der jeweils anderen Größe die eine Größe bestimmt werden kann, gestattet es die Erfindung ohne Vorkenntnisse auszukommen. Außerdem vermeidet die Erfindung das Meßproblem, das dadurch entsteht, daß sich die beiden Einflußgrößen im allgemeinen gleichzeitig als Funktion der metallurgischen Parameter ändern. Das erfindungsgemäße Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt
A b b. 1 ein Diagramm der normierten Impedanz ei-

4i) ner Abtastspule als Funktion der Frequenz, der Permeabilität und der Leitfähigkeit und

A b b. 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Leilfähigkeits- und Permeabilitätsmessung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Die A b b. 1 zeigt die normierte Impedanzortskurve einer Abtastspule über einem eben ausgedehnten ferritischen Prüfobjekt und ist das Ergebnis des Einsatzes eines Rechnerprogramms, das die Spulenimpedanz unter anderem als Funktion der Prüffrequenz, der Permeabilität (Überlagerungspermeabilität), der Leitfähigkeit und auch der Spulenabmessungen berechnet. Diese Rechnungen stimmen genügend genau mit der Praxis überein wie durch ein Vergleich mit Messungen an bekannten Prüfobjekten nachgewiesen wurde.

Auf dem durchgezogen gezeichneten Teil der Ortskurve sind vier Arbeitspunkte bei 50 Hz, 500 Hz, 5 kHz und 1 MHz markiert. Die Leitfähigkeit ist dort 3 m/ Ω mm², 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 geht aus der angegebenen Zahl hervor. Die gestrichelt gezeichneten Pfeile ergeben die Impedanzänderung, wenn sich die elektrische Leitfühig-

t>5 keit von 3 m/Ω mm² auf 5 m/Ω mm-¹ erhöht. Aus diesen Kurven können mehrere Zusammenhänge abgelesen werden:

1. Der Winkel zwischen den Leitfähigkeits- und Permeabilitätseffekten ist um so größer, je kleiner die Prüffrequenz ist;

2. bei hohen Prüffrequenzen (hier 1 MHz) können Leitfähigkeits- und Permeabilitätseffekte nicht unterschieden werden;

3. bei niedrigen Prüffrequenzen (hier 50 Hz) ist die Empfindlichkeit für Leitfähigkeitseffekte gering, d. h. die Permeabilitätsmessung ist somit praktisch unabhängig von der Leitfähigkeit;

4. die Unterscheidungsmöglichkeiten und die Auflösung unterschiedlicher Permeabilitätswerte ist um so besser, je höhar die Prüffrequenz ist;

5. der funktionale Zusammenhang zwischen dem Meßeffekt und der Permeabilität zeigt ein Sättigungsverhalten, das um so stärker ausgeprägt ist, je niedriger die Prüffrequenz ist;

6. jedem Wert der normierten Spulenimpedanz ist eindeutig ein Leitfähigkeits-Permcabilitäts-Paar zugeordnet.

Stromgenerator, Prüfspule und einem Abtast- und Haltekreis. Am Ausgang liegt die Spulenimpedanz nach Real- und Imaginärteil aufgespalten vor.

Es schließt sich die Auswertung in einem Mikroprozessor an. Die aktuellen, im Prüfablauf anfallenden Impedanzwerte werden mit Werten verglichen, die in einem Speicher abgelegt sind, und deren Zuordnung zu den Leitfähigkeits-Permeabilitäts-Paaren bekannt ist. Über Vergleichs- und Interpolationsroutinen werden

ίο die den aktuellen Impedanzwerten 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 gewon-

Die oben erörterten Erkenntnisse liegen dem erfindungsgemäßen Meßverfahren zur Bestimmung der Leitfähigkeit und der Permeabilität zugrunde. Wenn die Spulenimpedanz an genügend dichten Gitterpunkten in der Impedanzebene als Funktion von Leitfähigkeits-Permeabilitäts-Paaren bekannt ist, kann aus einer Messung der Impedanz die aktuelle Leitfähigkeit und Permeabilität ermittelt werden. Die Prüffrequenz ist in einem mittleren Bereich (hier etwa 1 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 dem unter Ziffer 5 erwähnten funktionalen Zusammenhang folgt, daß bei einer mittleren Prüffrequenz (etwa 1 kHz), die für die Trennung von Leitfähigkeit und Permeabilitätseffekten am günstigsten ist, das Verfahren nicht mehl für die Bestimmung von höheren Permeabilitätswerten eingesetzt werden kann. Aus A b b. 1 geht hervor, daß Permeabilitäten von mehr als 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.

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 A b b. 1 ein Arbeitspunkt ergibt, in dem eine Phasenaufspaltung für die Leitfähigkeits- und Permeabilitätseffekte vorliegt und in dem die Leitfähigkeil unabhängig von der Permeabilität bestimmt werden kann. Die Prüffrequenz ist kleiner als 5 kHz. Je höher die Vormagnetisierung ist, um so mehr wandert der Arbeitspunkt in Abb. 1 nach unten. Aus Giesem Grunde erfolgt eine Vormagnetisierung möglichst weit in den w> Sättigungsbereich.

Nach Kenntnis der Leitfähigkeit kann bei einer hohen Prüifrequenz (1 MHz in A b b. 1) die Permeabilität bestimmt werden, wobei keine Vormagnetisierung erfolgt.

In A b b. 2 ist das Prinzipschaltbild einer Vorrichtung t', zur Durchführung des oben erörterten Meßverfahrens dargestellt. Der linke Teil des Prinzipschaltbildes zeigt einen konventionellen NF-Wirbelstrommeßaufbau mit Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Bestimmung vor. Werkstoffeigenschaften durch Erfassung der Impedanz einer mit Wechselstrom einer vorherbestimmten Prüfirequenz gespeisten und auf das zu untersuchende Prüfobjekt aufgesetzten Abtastspule, dadurch gekennzeichnet, daß nach Vormagnetisierung des Prüfobjektes in den Sättigungsbereich ein erster Impedanzwert der Abtastspule bei einer ersten unter 5 kHz liegenden Prüffrequenz gemessen wird, daß ein zweiter Impedanzwert bei einer zweiten höheren Prüffrequenz von etwa 1 MHz ohne Vormagnetisierung des Prüfobjektes gemessen wird und daß aus dem ersten und zweiten gemessenen Impedanzwert durch Vergleichs- und Interpolationsroutinen mit aus numenschen Berechnungen oder aus Messungen an Proben ermittelten, in Speichern gespeicherten Vergleichs-Impedanzwerten die den aktuellen Impedanzwerten zugeordnete Leitfähigkeit und Permeabilität bestimmt wird.