DE3130685A1

DE3130685A1 - Wirbelstrom-oberflaechensonde

Info

Publication number: DE3130685A1
Application number: DE19813130685
Authority: DE
Inventors: Valentino S. Ontario Cecco; Hugh W. Ghent
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1980-08-18
Filing date: 1981-08-03
Publication date: 1982-04-15
Also published as: FR2488693A1; GB2082330A; GB2082330B; IT1144610B; FR2488693B1; JPS5772055A; CA1158314A; IT8168073A0

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstrom-Flächenprüfsonde und insbesondere eine Sonde, die zur Erfassung sehr flacher Oberflächendefekte geeignet ist.

Nifcht zerstörende Wirbelstromprüfverfahren in der zur Zeit üblichen Art sind nicht geeignet, um leicht flache Oberflächendefekte mit einer Tiefe von einer Größenordnung von o,1 mm zu erfassen. Das kommt daher, daß die Phase der Spannungsänderung in der Sondenspule bei einem flachen Defekt nahezu den gleichen Winkel aufweist, wie eine Spannungsänderung infolge einer kleinen Abstandsschwankung zwischen Spule und Testfläche, die im Folgenden "Abhebung" genannt wird. Die Spannungsänderung, die von tieferen Defekten in der Größenordnung von 0,5 mm herrühren, haben eine bezeichnend unterschiedliche Phasendrehung gegenüber den Abhebesignalen, sodaß die Erfassung von tieferen Defekten viel einfacher ist.

Es sind zwei Beispiele von Wirbelstromsonden bekannt, bei denen der Ausgleich von Abhebe-Wirkungen versucht wurde.

In der US-PS 3 197 693 wird eine Wirbelstromsonde beschrieben, bei der 2 oder mehr koaxiale und koplanare Spulen auf getrennte Magnetkerne gewickelt sind. Das Ausgangssignal wird von der inneren Spule abgenommen, während die Phase und die Amplitude der Erregungsspannung für die äußere Spule .auf elektronischem Wege so geändert wird, daß die Phase des durch die Innenspule erfaßten Abhebesignals geändert wird.

In der US-PS 3.753 096 wird eine Wirbelstromspulenauslegung beschrieben,,bei der je eine innere und eine äußere Spule auf getrennte innere und äußere koaxiale Magnetkerne gewickelt ist. Die Kerne sind in Axialrichtung beweglich, so-

daß sie im wesentlichen die gleiche Abhebeveränderung im Ausgangssignal jeder Spule.zeigen. Die Innenspule ist für Defekte empfindlicher als die äußere Spule. Die beiden Spulen sind mit benachbarten Armen einer Wechselstrombrücke verbunden, sodaß die Brücke "im wesentlichen" bei "normalen" Abhebeveränderungen abgeglichen bleibt, jedoch den Abgleichzustand verläßt, wenn die Spule Oberflächendefekte überstreicht. Der genannten Patentschrift ist jedoch kein Hinweis zu entnehmen, was unter einen "normalen" Veränderung der Abhebung oder unter einer "im wesentlichen" abgeglichenen Brücke zu verstehen ist.

Damit ergibt sich als Ziel der Erfindung die Schaffung einer Wirbelstromsonde, bei der das Abhebesignal gegenüber Fehlersignalen bei flachen Defekten gedreht ist.

Dieses Ziel und weitere Ziele der Erfindung können mit einer Wirbelstromsonde zur Verbindung mit einer Wechselstrombrücken-Detektprschaltung erreicht werden, welche eine Spulenanordnung besitzt, bei der mindestens 2 ungleiche Spulen an nicht magnetischen koaxialen Kernen befestigt sind. Die Kerne sind an einem nicht magnetischen Grundabschnitt befestigt, der die Lage der Sonde mit bezug auf die zu prüfende Oberfläche bestimmt. Die Kernbefestigungsanordnung läßt eine Einrichtung oder Nachstellung der Kerne in Axialrichtung im Grundabschnitt zu. Die Spulen in der Sonde können unterschiedlichen Radius, unterschiedliche Länge und/oder unterschiedliche Induktivität besitzen. Zusätzlich kann bei der Wirbelstromsonde eine leitfähige Einlage enthalten sein, die benachbart zu einer Spule, vorzugsweise zur inneren Spule bei

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einer 2-Spulensonde angebracht ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:"

Fig. 1 eine typische Wechselstrom-Brückenschaltung zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2,3,4 Abhebekurven in den dimensionslosen Impedanzebenen, deren Steigung den Wert IdZ^dZ_nI darstellen,

Λ JKJ -

Fig. 5,6,7 Darstellungen des Zusammenhanges der Änderungsgeschwindigkeit der Spulenimpedanz über der Abhebung (dZ/dl) in Abhängigkeit von der Abhebung,

Fig. 8 eine Darstellung des Ausgangssignals der Sondenspulen bei verschiedenen Abhebeabständen,

Fig. 9 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Flächensonde,

Fig. 10 die Ausgangssignale einer Sonde bei Abhebung und Fehlerstellen, und

Fig. 11 die Ausgangssignale einer mit Einlage versehenen Sonde bei Abhebungen und Fehlerstellen.

Die Wirbelstrom-Flächensonde enthält 2 koaxiale Spulen C. und G₂, welche in einem Gehäuse so angebracht sind, daß beim Einsatz derISImde die Spulen im wesentlichen parallel zur zu prüfenden Oberfläche stehen, ohne Rücksicht darauf, ob die Oberfläche flach oder, wie im Inneren einer großen Röhre, gekrümmt ist. Die Spulen C. und C₂ sind in der in

Fig. 1 gezeigten Weise als Zweige einer Wechselstrombrükkenschaltung 1 geschaltet. Die Wechselstrombrücke 1 wird durch eine Wechselstromquelle 2 erregt, die normalerweise eine einstellbare Freqenz besitzt. Die anderen beiden Arme der Brücke bestehen aus veränderbaren Impedanzen und 4, sodaß die Brücke 2 bei jeder gewünschten Testfrequenz abgeglichen werden kann. Ein Detektor 5 wird zum Abgleich der Brücke 1 und zur Erfassung von Signalen benutzt, die durch Abhebung und/oder Defekte der Testfläche entstehen.

Die Impedanz einer Spule wird durch das Symbol Z bezeichnet. Sie setzt sich aus einer reaktiven Komponente (Z_v) und einer Widerstandskomponente (Z_n) zusammen. Wenn der ■

JS.

Abstand zwischen Spule und Testfläche, normalerweise Abhebung (1) genannt, sich um einen kleinen Betrag ändert, ergibt sich eine entsprechende Änderung der reaktiven Impedanz (4z_v) und des Widerstandsanteils (Δζ_.) . Es ist bekannt, daß der WertJdZ_v/dZ_n|bei kleineren Änderungen

r Λ is.

der Abhebung mit zunehmendem Spulendurchmesser, mit ansteigender Testfrequenz, mit zunehmender Abhebung und, in einem geringeren Ausmaß, mit zunehmender Spulenlänge anwächst. In Fig. 2 bis 4 sind Abhebungskurven dargestellt, die dieses Verhalten erläutern. Die Steigung der Abhebungskurven stellt den WertldZ_x/dZ /dar. die vertikale Achse Z„ wurde durch Teilen durch 2/TfL normalisiert,

Λ _ O

wobei f die Betriebsfrequenz in Hz und L die Luftinduktivität der Spule in H ist. Die horizontale Achse wurde dadurch normalisiert, daß zunächst der Gleichstromwiderstand der Spule R ., subtrahiert und die Differenz durch 27ZfL dividiert wurde.

eft * ♦ *

O O «IAO fet

Λ ft * h ο (J *

In Fig. 2 sind Abhebekurven A,B,C bei drei Spulen mit unterschiedlichen Durchmessern gezeigt, und man sieht> daßJdZ_xZdZ Imit zunehmendem Spulendurchmesser ansteigt.

Fig. 3 zeigt Abhebekurven A,B,C,D für eine mit 4 verschiedenen Frequenzen betriebene Spule und zeigt, daß j X' R[mit ansteigender Betriebsfrequenz anwächst.

Fig. 4 zeigt Abhebekurven A, B, C für Spülen mit unterschiedlicher Länge und zeigt, daßjdZ_x/dZ jmit zunehmender Länge der Spule anwächst.

Es wurde auch bestimmt, daß die Kopplung des durch den elektrischen Strom der Spule erzeugten Magnetfeldes mit dem Untersuchungsmaterial mit zunehmendem Spulendurchmesser, abnehmender Spulenlänge und abnehmender Abhebung anwächst. Mit zunehmender Testfrequenz steigt die induzierte Wirbelstromdichte in der Nähe der Testoberfläche an. Deshalb nimmt .die Kupplung des durch die Wirbelströme erzeugte Magnetfeldes mit der Spule zu mit steigender Testfrequenz. Die Änderungsrate der Spulenimpedanz mit der AbhebungJdZ/dljist eine komplizierte Funktion dieser Parameter, nämlich Spulenlänge,. Spulendurchmesser, Abhebung und Testfrequenz. Die Fig. 5 bis 7 stellen diese Abhängigkeiten dar.

Fig. 5 stellt die Abhängigkeit von lnjdZ/dlfvon der Abhebung dar; die Kurven A,B,C von 3 Spulen mit unterschiedlichen Durchmessern zeigen, daß bei ansteigendem Spulendurchmesser der WertbetragJdZ/dljzunimmt.

Fig. 6, in der die Abhängigkeit des Wertes ln| dz/dl[ von der Abhebung dargestellt ist anhand von Kurven A,B,C,D für eine Spule, die mit 4 unterschiedlichen Frequenzen betrieben ist, zeigt , daß mit zunehmender Betriebsfrequenz der Wert' . jdZ/dlj zunimmt.

Fig. 7, in der die Abhängigkeit des Wertes lnjdZ/dll von der Abhebung dargestellt ist, zeigt anhand von Kurven A,B,C für 3 Spulen mit unterschiedlichen Längen, daß mit zunehmender Spulenlänge der Wert|dZ/dlj abnimmt.

Die in den Fig. 2 bis 7 enthaltene Information zeigt, daß die Abhebesignale von Spulen mit unterschiedlichen Formen und Größen sehr verschieden . sein können, und kann abgeleitet werden, daß die das Signal einer Einzelspule darstellenden Kurven separat genommen sich ebenfalls sehr unterscheiden können von einer Kurve, die sich aus den Differenzen der Abhebesignale von 2 Spulen ergibt. Um dies zu bestätigen,wurde die Abhebekurvenreihe nach Fig. 8 unter Benutzung einer Sonde erhalten, welche 2 koaxiale Spulen enthält, die in einer Wechselstrombrücke mit einer Betriebsfrequenz von 500 kHz mit einer Probenoberfläche aus Zircaloy-2 erhalten wurde. Die Wechselstrombrücke wurde jeweils abgeglichen mit einem Abstand der inneren bzw. äußeren Spulen von der Testoberfläche, wie sie in der nachstehenden Tabelle 1 festgelegt sind:

Tabelle 1

	Abstand	Innen	Abstand	Außen
	(mm)	spule	(mm)	spule
a)	0,32		0,0
b)	0,32		0,32
c)	0,32		■ 0,64
d)	0,32		0,80
e)	0,32		0,95
f)	0,32		1,11

— 9 —

Bei abgeglichener Brücke ergibt sich der durch X in ,jeder Kurve bezeichnete Punkt, und die Abhebekurven wurden dann auf folgende Weise erhalten:

I) Ein Abheben nur der äußeren Spule ergibt die horizontale Linie nach rechts, d.h. die Kurven Ia bis If,

II) Ein Anheben nur der inneren Spule gibt die nach links geneigte Linie, d.h. die Kurven Ha bis Hf, und

III) ein Anheben beider Spulen gleichzeitig mit Schritten von O,o86 mm ergibt die punktierten differenziellen Abhebekurven IHa bis IHf.

Aus Fig. 8 ist zu sehen, daß die Anfangsrichtung der differenziellen Abhebekurve III gegenüber den Abhebekurven der Spule I oder II einfach durch Einstellen des anfänglichen Axialabstandes der Außenspule von der Testfläche gedreht werden kann. Dieser Effekt kann noch durch Auswählen unterschiedlicher Spulendurchmesser und -längen, durch Verwendung von Spulen mit unterschiedlicher Induktivität und durch Betreiben bei unterschiedlichen Frequenzen erhöht werden.

Fig. 9 zeigt nun eine Wirbelstromsonde der erfindungsgemäßen Art. Die im Querschnitt gezeigte Sonde 10 enthält einen Grundabschnitt 11, der in der gezeigten Weise eine zylindrische. .Form besitzt mit einer Sacköffnung, sodaß sich ein offenes Ende 12 und ein geschlossenes Ende 13 ergibt. Das geschlossene Ende 13 ist sehr dünn und liegt an der zu untersuchenden Oberfläche an. 2 koaxiale Spulen, nämlich die Innenspule 14 und die Außenspule 15, sind jeweils auf Kerne 16 bzw 17 so gewickelt, daß sie innerhalb des Grundabschnittes oder Basisabschnittes 11 mit vorbestimmtem erforderlichen Abstand vom Ende 13 dieses Basisabschnittes gehalten werden können. Der Außenkern 17 besteht aus einem hohlzylindrisches Körper 18, der einen Flansch 19 aufweist, und der zylindrische Körper 18 sitzt gleitbar im Grundba-

€.

sisabschnitt 11. Ein Deckel 20 ist auf den Flansch 19 aufgepaßt und an ihm befestigt. Schrauben 21 befestigen den Kern 17 am Grundabschnitt 11, und über die Schrauben 21 gesetzte Wendelfedern 22 halten die äußere Spule 15 im erforderlichen Abstand vom geschlossenen Ende 13. Der Kern 16 ist von zylindrischer Form und bewegt sich frei im Kern 17. Er ist im Kern 17 mittels einer Spindel oder einer Gewindeschraube 23 gehalten. Die Lage des Kerns 16 gegenüber dem Kern_17 - kann mittels einer Mutter eingestellt werden und wird durch eine über den Bolzen bzw. die Spindel 23 gesetzte Wendelfeder 25 eingehalten. Alle Elemente in der Sonde 10 einschließlich der Schrauben bestehen aus einem nicht magnetischen Material, in der dargestellten Ausführung aus PTFE (Delrin der Fima Hoechst) Die Parameter der Kupferdrahtspulen 14 und 15 bei einer tatsächlich ausgeführten Sonde sind in Tabelle II zusammengefaßt:

Tabelle II

Di Da Länge L(^iH) Windungen (mm) (mm) (mm)

Spule 14 0,5 2,5 0,5 13,5 128 Spule 15 4,6 5,1 1,3 16 42

Zum Betrieb ist es erforderlich, die beiden Spulen 14 und 15 in ihrem Abstand gegeneinander in der Sonde und gegenüber dem Ende 13 der Sonde und damit der zu untersuchenden Oberfläche so einzustellen, daß das Fehlersignal eines flachen Fehlers in der Größenordnung von 90 phasenverschoben gegenüber der differenziellen Abhebekurve liegt. Bei einer Sonde der beschriebenen Art würde die Innenspule 14 in,einem Abstand von 0,32 mm von der zu untersuchenden Fläche und die Außenspule 15 in einem Abstand von 1,0 mm von der zu untersuchenden Fläche einge-

stellt. Die mit einer Frequenz von 500 kHz betriebene Wechselstrombrücke wurde dann abgeglichen (Punkte X. in Fig. 10). Die Unterschiede der sich bei Abheben und bei Oberflächendefekten ergebenden Ausgangssignale sind klar zu erkennen. Die Abhebekurve steht im wesentlichen senkrecht auf den Fehlersignalkurven, die durch 3 Nuten in der Testfläche mit Tiefen von 0,13; 0,25; 0,50 mm, einer Breite von o,13 mm und einer Länge 6,3 mm erzeugt wurden.

Um das Verhältnis Fehlersignal zu Abhebesignal zu vergrößern, kann eine dünne leitfähige Scheibe 26 zwischen die Innenspule 14 und die Testfläche eingesetzt werden, wie in Fig. 9 dargestellt. Die Scheibe 26 ändert die Abhebecharakteristik der Spule 14 durch Erhöhung des Steigungswertes J dZ_v/dZ_D J der Abhebekurve und Verringerung des Wertes

Λ XV

(dZ/dl| . Durch geeignete Wahl der Leitfähigkeit und Stärke der Scheibe 26 ist es möglich, nahezu identische Abhebekurven der Innen- und Außenspule 14 bzw.15 in einem bedeutenden Abhebebereich una einer bestimmten Testfrequenz zu erzielen. Die Auswirkung einer 0,1 mm starken Scheibe aus Zircaloy-2, die zwischen die Innenspule 14 und eine Testflache eingesetzt wurde, ist in Fig.11 gezeigt. Das Abhebesignal· wird um 180 gedreht und, vergiichen mit dem Fehlersignal bei einer Fehlertiefe von 0,13 mm, ergibt sich ein sehr kleines Abhebesignal bei einer Abhebung von etwa 0,17 mm. Wie in Fig. 10 für die scheibenlose Sonde zu sehen, ergibt eine Änderung der Abhebung um 0,17 mm ein im Vergleich zum Fehlersignal für einen 0,13 mm tiefen Defekt relativ großes Signal.

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Leerseite

Claims

( 1.)Wirbelstrom-Oberflächensonde zur Erfassung von flachen Oberflächendefekten in Verbindung mit einer Wechselstrom-Brückendetektorschaltung, gekennzeichnet durch eine Spulenanordnung aus mindestens 2 ungleichen, auf nicht magnetischen koaxialen Kernen (16,17) befestigten Spulen (14,15), einen nicht magnetischen Basisabschnitt (11) zum Positionieren der Sonde (10) in der Nähe der zu untersuchenden Oberfläche und durch eine Einstelleinrichtung (19,20,21,22;23,24,25) für die Kerne im Basisabschnitt in der Weise, daß jede Spule (14,15) in Axialrichtung innerhalb des Basisabschnittes (11) unabhängig einstellbar ist.
2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (14,15) unterschiedlichen Radius besitzen^.
3. Sonde nach Anspruch 1, dadurch ge k e η η ζ e i c h η et, daß die Spulen (14,15)'unterschiedliche Länge besitzen.

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4. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet, daß die Spulen unterschiedliche Induktivität aufweisen.
5. Sonde nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine leitfähige Scheibe (26) einer Spule (14) benachbart angeordnet ist.
6. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenanordnung eine Innenspule (14) und eine Außenspule (15) umfaßt, und daß die Außenspule einen Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser der Innenspule besitzt.
7. Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die innere und die äußere Spule unterschiedliche Länge besitzen.
8. Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- und die Außenspule unterschiedliche Induktivität aufweisen.
9. Sonde nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch g e k.e. η η zeichnet, daß eine leitfähige Scheibe (26) benachbart zur Innenspule (14) angeordnet ist.