DE3127455A1 - Pruefspulenanordnung zum abtasten von ebenen und gekruemmten oberflaechen aus elektrisch leitfaehigen pruefteilen in zusammenhang mit der anwendung des wirbelstromverfahrens - Google Patents

Description

• p a t e n t b e s c h r e i b u n g
• Prüfspulenanordnung zum Abtasten von ebenen und gekrümmten Oberflächen aus elektrisch leitfähigen Prüfteilen in Zusammenhang mit der Anwendung des Wirbelstromverfahrens Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung zum Anschluß an ein Prüfsystem auf der Grundlage des Impuls-Wirbelstromverfahrens (Patentanmeldung Az. P 30 34 426.4: Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung von elektrisch leitfähigen Werkstoffen auf der Grundlage des Impuls-Wirbelstromverfahrens. Anmelder: Bundesrepublik Deutschland.) oder eines anderen geeigneten Wirbelstromprüfsystems. Die Spulenanordnung dient zur Abtastung von ebenen oder gekrümmten Oberflächen von elektrisch leitfähigen Prüfteilen.
• Sie hat die Aufgabe, an den elektronischen Teil der Prüfanordnung Signalspannungen zur Weiterverarbeitung zu geben. Diese enthalten die Informationen über das betreffende Prüfteil entsprechend der vorliegenden Aufgabenstellung. Hierbei kann es sich um den Nachweis von Materialungänzen - z.B. von Rissen und Lunkern - im oberflächennahen Bereich handeln. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Dimensionskontrolle. Hierunter fallen Veränderungen von Wand- bzw. Schichtdicken. Ferner lassen sich Schwankungen von Werkstoffeigenschaften, die mit einer Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit oder des magnetischen Verhaltens verknüpft sind, feststellen.
• Bei der Anwendung des Impuls-Wirbelstromverfahrens ist es Stand der Technik, für die Prüfung von Rohren oder Prüfteilen mit ebenen Oberflächen Spulenanordnungen gemäß Fig. 1a einzusetzen.
• (z.B. 1) A. Sather: Apparatus for Testing Smooth and Ribbed Tubing with Pulsed Eddy Currents, ANL-77-53, May 1978 - 2) R.R.-Asamoto, R.F. Bacon, A.E. Conti, G.P. Wozadlo: Evaluation of Irradiated Fuel Rods with Pulsed Eddy Currents, Materials Evaluation 31 (1973), Nr. 4, S. 67/72. - 3) G. Wittig, W. Grigulewitsch: Untersuchungen zur Anwendung des Impuls-Wirbelstromverfahrens an Prüfobjekten mit größeren Dicken, Europäische Vortragstagung Zerstörungsfreie Materialprüfung, 24.-26.4.1978, Mainz, Tagungsband S. 165/172). Die Wicklung 1 der felderregenden Spule hat eine solche Lage, daß ihre Hauptachse 2 senkrecht zur Oberfläche des Prüfteils 3 gerichtet ist. Daneben befinden sich zwei Meß- oder Empfängerspulen 4 und 5, deren Hauptachsen 6 und 7 parallel zur Achse 2 sind. Sie werden elektrisch wie in Fig. 1b so zusammengeschaltet, daß sich die induzierten Signalspannungen der Wicklungen 4 mit den Anschlüssen 11 und 12 sowie 5 mit den Anschlüssen 13 und 14 gegensinnig überlagern. Das hat zur Folge, daß bei einem in die Erregerwicklung 2 mit den Anschlüssen 8 und 9 eingespeisten Strom i im Idealfall kein Ausgangssignal Us an den Anschlüssen 11 und 13 vorhanden ist, wenn im Prüfteil 3 im Wirkungsbereich-der Spulenanordnung homogene verhältnisse vorliegen. Erst eine Inhomogenität - beispielsweise ein Riß 17 -, die zu einer Verformung des erzeugten Wirbelstromfeldes führt, bewirkt ein von Null verschiedenes Signal Us.
• In Fig. 2 ist der Verlauf 15 der Amplitude von U5 beispielhaft dargestellt, wie sie beim Abtasten in der y-Richtung 16 über einen Riß 17 entsteht.
• In der Praxis bereitet es Schwierigkeiten, die Wicklungen 4 und 5 so gleichartig anzufertigen, daß an den Anschlüssen 11 und 13 tatsächlich keine Spannungen vorhanden sind, wenn im Prüf teil 3 keine Störung des Wirbelstromfeldes vorliegt. Wegen der Parallelität der Hauptachsen 2 und 6 bzw. 7 sind im Bereich der Meßspulen noch erhebliche Feldstärkekomponenten wirksam, die einen Abgleich von Us auf Null erschweren. Durch eine Schirmung 10 aus einem leitfähigen metallischen Werkstoff lassen sich die Verhältnisse verbessern. Diese Schirmung dient gleichzeitig zur Führung des magnetischen Feldes im Prüfteil 3. Wegen der Breitbandigkeit der Signale beim Impuls-Wirbelstromverfahren ist die bei den Frequenz-Wirbelstromverfahren angewandte Methode des Nullabgleichs beispielsweise mit einem einfachen einstellbaren Widerstandsnetzwerk nicht durchführbar.
• Als sinnvolle und auch handhabbare Methode wird beim Impuls-Wirbelstromverfahren durch geringe örtliche Verschiebungen der Meßspulen 4 und 5 im Feld der Erregerspule 1 der Nullabgleich herbeiqefiihrt. Die parallele Lage der Hauptachsen 2, 6 und 7 bleibt dabei aut jeden tau erhalten. Eine Fixierung der WickLuncjeii z.B.
• durch Vergießen mit einem aushärtbaren Harz bewirkt, daß der einmal vorgenommene Abgleich unverändert bestehen bleibt.
• Der erfindungsgemäße Aufbau der für die erwähnten Anwendungen vorgesehenen Spulenanordnung wird an Hand von Fig. 3 erläutert.
• Die Hauptachse 22 der Erregerwicklung 21 steht wieder senkrecht auf der Oberfläche des Prüfteils. Abweichend von den in Fig. 1a und Fig. 1b dargestellten Anordnungen ist nur eine Meßspule 25 seitlich neben der Erregerwicklung 21 angeordnet, und zwar so, daß ihre Hauptachse 26 parallel zu einer ebenen Oberfläche bzw.
• parallel zur Tangente einer gekrümmten Fläche des Prüfteils 3 gerichtet ist.
• Zur Führung des erregenden magnetischen Feldes kann wieder entsprechend Fig. 4a und 4b eine Schirmung 29 vorgesehen werden, die die Erregerwicklung einschließt.
• Gemäß Fig. 3 ist die Meßspule als gleichmäßig verteilte Wicklung 25 ausgebildet. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, wie in Fig. 5 auf einem gemeinsamen Spulenkörper 30 zwei oder mehrere Teilwicklungen 31 vorzusehen. Die Querschnittsform der Wicklungen 21 und 25 braucht sich nicht grundsätzlich auf einen Kreisring zu beschränken. Es sind auch quadratische, rechteckige oder auch andere Formen anwendbar, wie beispielhaft in Fig. 4b dargestellt wird.
• Zur Führung des durch eine Inhomogenität im Prüfteil 3 verursachten Flusses wird in die Meßspule ergänzend ein Kern 32 aus einem ferritischen Werkstoff eingesetzt. Ein weiteres Mittel zur Beeinflussung der Feldverteilung besteht darin, eine zusätzliche metallische Schirmung 33 zwischen den Schirmring 29 und der Meßspule 25 bzw. 31 vorzusehen.
• Erfindungsgemäß kann die Wicklung der Meßspule 25 an Stelle aus dem üblicherweise benutzten Kupferdraht aus einem als Widerstandsdraht zu bezeichnenden Werkstoff - z.B. Manganin - mit einer im Vergleich zu Kupfer geringeren elektrischen Leitfähigkeit angefertigt werden.
• Die erfindungsgemäße Spulenanordnung nach Fig. 3 weist eine Reihe von Merkmalen auf, die in der praktischen Anwendung als vorteilhaft im Vergleich zu der als Stand der Technik bekannten Anordnung hin zu bewerten sind. Aus der Tatsache, daß nur ein einziger Spulenkörper 30 für die Meßwicklung 25 bzw. 31 benötigt wird, ergibt sich eine wesentliche Verringerung der Schwierigkeiten, die bei zwei Meßspulen infolge Von nicht vermeidbaren Unterschieden in ihren Eigenschaften auftreten können. Bei einer einzigen Meßspule sind die in sich noch vorhandenen geringen Ungleichmäßigkeiten bei der Anbringung neben der Erregerspule wesentlich leichter zu kompensieren. Das bedeutet, daß der Nullabgleich mit einem geringen Aufwand zu bewerkstelligen ist. Unterstützt wird dieser Vorgang außerdem noch dadurch, daß von vornherein Komponenten des magnetischen Feldes der Erregerspule 21 mit der Richtung der Hauptachse 26 der Meßspule nur in einem geringen Umfang zusammenfallen.
• Bei einer kurzen Meßspule 25 sind sie sogar vernachlässigbar klein.
• Die erfindungsgemäße Spulenanordnung wirkt in gleicher Weise wie die Anordnung nach Fig. 1 als Differenzsystem. Die Differenzbildung erfolgt dabei in Richtung der Achse 26. Die aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus verbesserte Symmetrie trägt dazu bei, daß Störparameter, die senkrecht zur Achse 26 - also in Richtung der x-Koordinate 34 - eine wesentliche Änderung erfahren, nur noch ein geringes Signal hervorrufen können. Fig. 6 zeigt ein entsprechendes Beispiel. Die Spulenanordnung ist für eine Rohrinnenprüfung ausgelegt. Als möglicher Störer tritt der Rohrboden 36 auf, in den das Rohr 37 eingesetzt ist. Die Erregerspule 21 und die Meßspule 25 erfassen einen begrenzten Bereich der Rohrwandungen.
• Die Achse 22 hat die Richtung des Rohrradius und die Spulenachse 26 die Richtung einer Tangente an die Rohrwand. Die Bewegung der Spulenanordnung erfolgt in Richtung der Rohrachse 35. Ein am Ende des Rohrbodens mögliches Störsignal wird durch die Spulenanordnung in einem hohen Maß unterdrückt. Gegenüber einer Spulenanordnung nach Fig. 1 sind wegen der günstigeren Symmetriebedingungen in der praktischen Anwendung bessere Ergebnisse zu erzielen.
• Zusätzliche Schirmungen 33 bzw. ein Ferritkern 32 verbessern bei vorgegebenen spezifischen Prüfaufgaben die Eigenschaften der Spulenanordnung hinsichtlich der Nachweisbarkeit von Materialungänzen oder des Auflösungsvermögens dicht beieinander liegender Fehlerstellen.
• Entsprechend Fig. 7 bildet die Meßspulenwicklung 25 mit den Eigenkapazitäten 41 und mit den Kapazitäten der Anschlußdrähte 42 einen Schwingkreis, der durch einen inauzierten Spannungsstoß zu Eigenschwingungen angeregt wird. Diese klingen abhängig von der Spulengüte und der Belastung durch den angeschlossenen Verstärker 43 mehr oder weniger schnell ab. Insbesondere im Einschalt- und Ausschaltpunkt des erregenden Impulses können solche für die weitere Nutzsignalverarbeitung störenden Signale entstehen. Eine Wicklung aus einem Widerstandsmaterial hat im Vergleich zum üblichen Kupfer eine verringerte Güte, so daß die Eigenschwingungen bedämpft bzw. sogar unterdrückt werden.

Claims (7)

1. Patentansprüche: Spulenanordnung für die Wirbelstromprüfung - insbesondere für das Impuls-Wirbelstromverfahren - an ebenen und gekrümmten Flächen dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachse (22) der felderregenden Spule (21) senkrecht auf der Oberfläche des Prüfteils (3) und die Hauptachse (26) der Meßspule (25) parallel zur genannten Fläche angeordnet sind. Die Meßspule (25) liegt dabei seitlich versetzt zur Erregerspule (21), wobei die Hauptachse (26) in tangentialer Richtung zur Erregerspule (21) zeigt. Die Bewegung der Spulenanordnung zur Abtastung der Oberfläche des Prüfteils (3) kann wahlweise parallel oder senkrecht zur Hauptachse (26) der Meßspule (25) erfolgen.
2. 2. Spulenanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (21) durch eine metallische Schirmung (29) zur Beeinflussung der Feldverteilung umgeben ist.
3. 3. Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung der Meßspule (25) abweichend von der Ausführung der gleichmäßigen Bewicklung aus mindestens zwei örtlich getrennten Wicklungen (31) besteht.
4. 4. Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule (25) einen Kern (32) aus einem ferritischen Werkstoff enthält.
5. 5. Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (21) oder die Meßspule (25) eine quadratische, rechteckige oder sonstige vom üblichen Kreisquerschnitt abweichende Wicklungsform besitzen.
6. 6. Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Erregerspule (21) und Meßspule (25) eine zusätzliche metallische Schirmung (33) tritt.
7. 7. Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche Aadurch yeltennzeichnet, daß für die Meßspule (25) an Stelle det üblichen Wicklungen aus isoliertem Kupferdraht Draht mit gegenüber Kupfer geringerer elektrischer Leitfähigkeit (Widerstandsdraht) Verwendung findet.