DE3139491C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstrommeßeinrichtung zur Durchfüh­ rung von Messungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Meßeinrichtungen mit diesen Eigenschaften werden insbesondere in der Halbzeugproduktion benötigt, z. B. zur Untersuchung von Material von Walzprozessen. Zweck eines solchen Einsatzes ist es, Materialfehler nicht erst im Endprodukt, sondern möglichst bald nach ihrem Entste­ hen zu erkennen, so daß rechtzeitig Maßnahmen zur Verhinderung der Fehler ergriffen und/oder fehlerhafte Stücke aussortiert oder nach­ gearbeitet werden können. Häufig treten Oberflächenstörungen unter­ schiedlicher Art mit auch unterschiedlicher Bedeutung für die Weiter­ verarbeitung auf, die jedoch mit den vorbekannten Meßeinrichtungen nicht ausreichend getrennt voneinander nachgewiesen werden können.

Als Beispiel hierfür seien hier die mit einer Stranggießanlage er­ zeugten Stahlbrammen erwähnt. Auf der Brammenoberfläche treten - be­ dingt durch den Gießprozeß - Risse und flächige Vertiefungen bis zu 1 mm Tiefe sowie Nuten mit Tiefen bis etwa 1 mm und Breiten über 1 mm auf. Nur die Oberflächenrisse können Fehler in den Endprodukten zur Folge haben und müssen daher unabhängig von den beiden anderen Ober­ flächenstörungen erfaßt werden. Die Rißerkennung erfolgt derzeit fast ausschließlich durch visuelle Prüfung der erkalteten Brammen, nachdem die beiden übrigen Oberflächenfehler durch Materialabtrag ("Flämmen") beseitigt worden sind. Dieses Vorgehen erfordert den Ein­ satz von Personal, bewirkt Materialverluste und ist zudem auch nicht zuverlässig genug.

Der Einsatz von Wirbelstrommeßköpfen zur Erkennung von Materialfehlern in metallischen Objekten mit ebenen Oberflächen ist ein in der Mate­ rialprüfung übliches Verfahren (H. Heptner, H. Stroppe: "Magnetische und magnetinduktive Werkstoffprüfung", Leipzig 1973).

Bekannt ist auch der Einsatz eines phasenempfindlichen Nachweises zur Unterscheidung von Fehlern verschiedener Art (H. Luz, "Process­ engineering" (1079) Seite 140). Allgemein weisen solche Geräte feld­ erzeugende Einrichtungen, wie eine mit einer Wechselspannungsquelle verbundenen Spule zur Erzeugung von Wirbelströmen in dem zu untersuchen­ den Teil, und Abtasteinrichtungen zum Abtasten des durch die Wirbel­ ströme erzeugten Feldes, auf. Die Abtasteinrichtungen können aus einer getrennten Spule, einer Hall-Sonde oder aus irgendeiner anderen auf Felder ansprechenden Vorrichtung bestehen. Oder es kann auch die Spule der felderzeugenden Einrichtungen zum Abtasten des induzierten Feldes verwendet werden, durch Messung der Spulenimpedanz.

So ist schon eine Wirbelstromsonde zur Fehlerprüfung von Werkstücken aus elektrisch leitendem Material bekannt, bestehend aus einem Kern aus ferromagnetischem Material, einer Primärwicklungsanordnung zur Erregung des Kernes mit einem magnetischen Wechselfeld und zur Erzeu­ gung von Wirbelströmen in den zu prüfenden Werkstücken sowie aus einer Sekundärwicklungsanordnung zum Empfang von Signalen, die durch von den Wirbelströmen erzeugte Magnetfelder in der Sekundärwicklungs­ anordnung induziert werden, wobei die dem Prüfteil zugewandte Seite des Kernes in mehrere Arme aufgeteilt ist, auf die Primär- und Sekun­ där-Wicklungsanordnung aufgebracht sind, bei der die dem Prüfteil zu­ gewandte Seite des aus einheitlichem Material gebildeten Kernes durch zwei Einschnitte in drei Hauptarme und der mittlere dieser Hauptarme durch einen weiteren, zu den beiden vorgenannten Einschnitten senkrecht verlaufenden Einschnitt in zwei Nebenarme geteilt werden, wobei die beiden äußeren Hauptarme jeweils wenigstens eine Wicklung der Primär­ wicklungsanordnung tragen und die Sekundärwicklung in einer Anzahl 8förmiger Einzelwindungen um die beiden Nebenarme geschlungen ist (DE-AS 17 73 501).

Es ist auch bereits die Verwendung mehrerer Tastspulsysteme um ein im wesentlichen rotationssymmetrisches Spulensystem bekannt (FR-PS 24 59 475).

Ferner ist eine Vorrichtung zur magnetischen Prüfung eines sich be­ wegenden Metallbandes bekannt, bei der eine Hohlwalze in Verbindung mit einer Überwachungseinrichtung vorgesehen ist, welch letztere auf Änderungen der magnetischen Charakteristiken des Bandes anspricht und innerhalb der Walze benachbart zu dem Sektor der äußeren Walzen­ oberfläche angeordnet ist, über den das Band ausgespannt wird, die Walze aus einem Material besteht, welches ferromagnetische Eigen­ schaften darstellt und eine magnetische Permeabilität besitzt, die so gewählt ist, daß eine ausreichende induktive Kopplung zwischen der Überwachungsvorrichtung und einem Band zustandekommt, damit die erforderliche Änderung der Magnet-Charakteristik feststellbar ist (DE-OS 26 20 070).

Außerdem ist bereits bekannt, daß ein Tastspulensystem ein Wirbel­ stromfeld in einem Objekt erzeugt und ein zweites Tastspulensystem in der Symmetrieebene des ersten Tastspulensystems angeordnet und selber symmetrisch zu dieser Ebene ist (DE-Z.: "Materialprüfung" 20 (1978) Nr. 12, Seiten 449 bis 454).

Bekannt ist auch eine Spulenanordnung für die Wirbelstromprüfung von Objekten mit ebenen oder gekrümmten Oberflächen, insbesondere für das Impuls-Wirbelstromverfahren, mit einer Erregerspule, deren Haupt­ achse senkrecht zur Oberfläche des Objektes verläuft und einer Meß­ spule, deren Hauptachse parallel zur genannten Oberfläche orientiert ist, wobei die Meßspule seitlich versetzt zur Erregerspule liegt, bei der die Hauptachse der Meßspule in einer in bezug auf die Erregerspule tangentialen Richtung verläuft (DE-PS 31 27 455).

Schließlich ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Ultraschallfeh­ lerprüfung von Werkstücken bekannt mit einem Laserstrahlgenerator zur Erzeugung eines die Oberfläche des zu überprüfenden Werkstücks linear abtastenden impulsförmigen Laserstrahls, einer in der Nähe der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks angeordneten Ultra­ schallsondeneinrichtung zum Erfassen von infolge des Laserstrahlein­ falls erzeugten Ultraschallwellen, die sich im Material und entlang der Oberfläche mit unterschiedlichen Wellenmoden fortpflanzen, und einer an die Ultraschallsondeneinrichtung angeschlossenen Anzeige­ einrichtung zur Anzeige der Ergebnisse der Fehlerprüfung, bei der ein als polygonales Prisma ausgebildeter Drehspiegel mit seinen Re­ flexionsflächen den Laserstrahl auf die Oberfläche des zu überprü­ fenden Werkstücks reflektiert und der Drehspiegel bei Drehung den Laserstrahl entlang einer Geraden ablenkt, die Ultraschallsondenein­ richtung mehrere Ultraschallsonden für unterschiedliche Ausbreitungs­ arten der Ultraschallwellen aufweist, die entlang bzw. parallel zu der vom Laserstrahl auf der Oberfläche des Werkstücks gebildeten Ablenkspur angeordnet sind, und eine Abtaststeuereinrichtung an die Ultraschallsonden angeschlossen ist zur Steuerung der Ein- und Aus­ schaltung der Ultraschallsonden in Abhängigkeit von Taktimpulsen eines Taktsignalgenerators, der in Übereinstimmung mit der Drehspie­ gelbewegung die Taktimpulse für das Ein- und Ausschalten des Laser­ strahls sowie der dem jeweiligen Strahlort zugeordneten Ultraschall­ sonden liefert (DE-PS 29 52 885).

Fast alle diese Geräte sind entwickelt worden für die Prü­ fung von Objekten, die eine Temperatur haben, die nicht wesentlich über Zimmertemperatur liegt, so daß die Spulen­ systeme auf das Objekt aufgesetzt werden können und müssen. Soweit Vorrichtungen bekanntgeworden sind, die für Ob­ jekttemperaturen von etwa 1500 K konzipiert wurden (DE-OS 25 46 029), handelt es sich um ölgekühlte Einrich­ tungen, die mit einer Schleppvorrichtung über Rohrschweiß­ nähte geführt wird, also auch im Kontakt mit dem Meßobjekt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wirbelstrom­ meßeinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine gute Trennung zwischen verschiedenen Oberflächenstö­ rungen, insbesondere zwischen Rissen und Nuten, ermöglicht und gegebenenfalls bei höheren Temperaturen (über 1000°C) einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Meßeinrichtung gemäß der Erfindung erlaubt im Vergleich zu vorbekannten Einrichtungen schon aufgrund des geometri­ schen Aufbaus des Kopfes eine wesentlich bessere Trennung verschiedener Oberflächenfehler, wie z. B. zwischen Rissen geringer Breite (unter 0,5 mm) und Nuten mit Breiten über 1 mm.

In einer gekühlten Ausführung erlaubt sie schon mit Druck­ luft als Kühlmittel Messungen bei Objekttemperaturen von über 1000°C.

Sie erlaubt z. B. eine automatische, objektive Rißerkennung an einer nicht vorbehandelten, glühenden Strangoberfläche während eines Gießprozesses, noch bevor die Brammen vom Strang abgetrennt sind.

Die Wirbelstrommeßeinrichtung gemäß der Erfindung wird in nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt die

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau der Meßein­ richtung gemäß der Erfindung, die

Fig. 2 den Aufbau eines Meßkopfes zum Einsatz bei hohen Probentemperaturen und die

Fig. 3 einen Meßkopf in einem Meßsystem.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Meßobjekt bezeichnet, bei dem Risse oder andere Materialfehler in der Oberfläche festge­ stellt werden sollen. Das Meßobjekt ist als elektrisch leitend vorausgesetzt. Mit 3 ist ein Tastspulensystem erster Art bezeichnet, das so aufgebaut ist, daß es im An­ regungsfall in dem Objekt ein Wirbelstromfeld 2 geometrisch ähnlich dem eines mit Wechselstrom betriebenen U-Kern-Spu­ lensystems mit zur Objektoberfläche gerichteten Schenkeln 3 erzeugt. Ein Tastspulensystem zweiter Art ist mit 4 be­ zeichnet; es liegt in der Symmetrieebene des Tastspulensy­ stems erster Art und ist selber symmetrisch zu dieser Ebene.

Das Spulensystem erster Art kann z. B. aus einem spulenum­ wickelten U-Kern aus magnetischem Material oder auch aus jeweils zwei Hochfrequenz-Luftspulen bestehen, die im ent­ gegengesetzten Drehsinn von elektrischem Strom durchflos­ sen werden.

Beispiele für Spulensysteme zweiter Art sind: Schalenkern aus magnetischem Material mit eingelegter Spule, zylinder­ förmige Luftspule.

Bei langgestreckten Oberflächenfehlern beeinflußt die Feh­ lerart die Signalform und die Abhängigkeit des Signals vom Winkel zwischen den Richtungen des Fehlers und der gemeinsamen Sym­ metrieebene von Anregungs- und Nachweisspulensystem. Dadurch ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten des Erkennens der Art von Oberflächen­ störungen. Vorzugsweise wird ein Winkel zwischen der Symmetrieebene des resultierenden Spulensystems mit der erwarteten Richtung von Rissen mit 20° bis 70° verwendet.

Die Oberflächenfehler werden phasenempfindlich durch die Mischung (Mischer 23) des Empfänger-HF-Signals mit dem mittels eines Phasen­ schiebers 25 in seiner Phase einstellbaren Ausgangssignal eines HF- Senders 24, der den Tastspulen-Sender 26 direkt speist, nachgewiesen und zwar mit einer solchen Phaseneinstellung, daß Signale nicht inter­ essierender Oberflächenfehler möglichst unterdrückt werden. Aus dem Auftreten von positiven und negativen Signalamplituden am Ausgang des Mischers 23 während der relativen Bewegung zwischen Meßeinrichtung und Objekt wird die Art des Materialfehlers ermittelt (positive und negative Signalamplitude für Nuten, nur positive oder negative Si­ gnalamplitude für Risse).

Eine Erfassung von langgestreckten Fehlern unabhängig von deren Rich­ tung ist möglich, wenn mehrere Spulensysteme der ersten Art als Nach­ weissysteme um ein rotationssymmetrisches Erreger-Spulensystem ange­ ordnet sind. Aus den Verhältnissen der Signale der verschiedenen Nachweisspulensysteme kann auch die Richtung des Fehlers ermittelt werden. Insbesondere können zwei oder mehrere Nachweisspulensysteme erster Art auf einem Kreis um die Erregerspule angeordnet werden mit - vom Kreismittelpunkt aus gesehen - Winkelabständen von 45° oder Viel­ fachen davon. Dabei kann das quadratische Mittel der Signale zweier Nachweisspulensysteme zur Bewertung der Fehlergröße verwendet werden. Bei langgestreckten Fehlern kann die Fehlerrichtung aus dem Verhält­ nis der Signale mindestens zweier Nachweisspulensysteme ermittelt werden.

Fertigungstoleranzen können zu einer die Kopfeigenschaften verschlech­ ternden Störung des symmetrischen Aufbaus des Kopfes führen. Solchen Störungen kann durch definierte Änderungen der Kopplung zwischen den Spulen entgegengewirkt werden, z. B. durch kleine Verschiebungen oder Drehungen der Spulensysteme oder durch Lageveränderungen elek­ trisch leitender Gegenstände im Spulenfeld.

Für den Einsatz der Meßköpfe unter ungünstigen Bedingungen kann eine Abschirmung gegenüber Hochfrequenzeinstreuungen, ein mechanischer Schutz durch einen metallischen Zylinder, z. B. aus Edelstrahl um die äußeren Seitenflächen des Kopfes und/oder eine Zwangskühlung des Kop­ fes sinnvoll sein. Treten bei Messungen wesentliche Änderungen des Abstands zwischen Meßkopf und Meßobjekt auf, so kann durch Beobachten der Impedanz einer Spule der Abstand ermittelt und mit Hilfe des Ab­ standswertes die Signale der Oberflächenfehler korrigiert werden. Eine weitere Möglichkeit ist, den Meßkopfabstand mit Hilfe der Ab­ standsmeßeinrichtung und einer Verschiebeeinrichtung auf einen fe­ sten Wert zu regeln.

Über die Messung der Änderung der Impedanz oder eine Komponente der Impedanz oder einer davon abhängigen Größe einer der zur Fehlererken­ nung eingesetzten Spulen oder einer zusätzlichen Spule wird ein Si­ gnal für den Abstand des Meßkopfes zur Objektoberfläche gewonnen, mit dem die Größe der Fehlersignale bewertet wird. Der Meßkopf wird mit Hilfe einer Abstandsmessung und einer Abstandsverstelleinrichtung auf einem konstanten Abstand zur Objektoberfläche gehalten.

Die Justierung des Gesamtspulensystems wird dadurch überprüft, daß das Meßobjekt entfernt wird und eine Bewertung des Leerlaufsignals erfolgt.

Den Aufbau eines Meßkopfes zum Einsatz bei hohen Proben­ temperaturen zeigt Fig. 2. Das magnetische Wechselfeld wird mit einer Schalenkern-Anordnung 11 erzeugt und mit einer U-Kern-Anordnung 12 detektiert. Ein Keramikkopf 13 begrenzt den zwangsgekühlten Bereich des Kopfes. Die Sei­ tenflächen des Topfes werden durch einen Zylinder 14 aus Edelstahl geschützt. Das Kühlmittel wird nach Eintreten in den Meßkopf 15 zuerst zu den Spulensystemen geführt. Es strömt dann durch den Spalt zwischen der Platte 16 und dem Boden des Keramiktopfes und verläßt schließlich nach Kühlung der Mantelfläche des Topfes den Kopf 17. Diese Kühlmittelführung ergibt eine sehr effektive Kühlung der Spulensysteme und erlaubt mit Druckluftkühlung die Unter­ suchung von Objekten mit Temperaturen über 1000°C. Der Zylinder aus Kupferblech 17 dient zur elektro-magneti­ schen Abschirmung des Spulensystems gegenüber äußeren Stör­ feldern, zur Begrenzung des magnetischen Feldes der Erreger­ spule und zur Führung des Kühlmittelstromes. Die Tastspu­ lensysteme sind einzeln und gemeinsam mit Hochfrequenzab­ schirmungen 19a, 19b und 18 umhüllt.

Der hier beschriebene Meßkopf ist Teil eines Meßsystems, das aus dem Meßkopf, einem Phasenschieber, Verstärker, Frequenzmischer, Bandpaß und einer Signalverarbeitung besteht. Der funktionale Zusammenhang ist in Fig. 3 dar­ gestellt. Das in die Empfängerspule 21 induzierte Signal wird über einem Verstärker 22 zu einem Mischer 23 gelei­ tet. Dort wird das Signal mit der Senderfrequenz (Hoch­ frequenzsender 24) gemischt, die mit einem Phasenschieber 25 in der Phasenlage variiert werden kann. Die Sendespule ist mit 26 bezeichnet. Das am Mischer anstehende Ausgangs­ signal wird über ein Bandpaßfilter 27 der Signalverarbei­ tung 28 zugeleitet.

Die Phaseneinstellung am Phasenschieber 25 erfolgt so, daß die Signale nicht interessierender Oberflächenfehler mög­ lichst unterdrückt werden; nachdem vorher die Meßsignale bekannter Fehler festgestellt wurden. Die Art des Fehlers (Risse, Nuten) ergibt sich aus dem Auftreten von negativen und positiven Signalamplituden bei Nuten oder nur positiven oder negativen Signalamplituden bei Rissen, bei relativer (geradliniger) Bewegung der Meßeinrichtung zur Objektober­ fläche.

Claims (12)

1. Wirbelstrommeßeinrichtung aus einer Kombination zweier Arten von Hoch­ frequenz-Tastspulensystemen zur selektiven Erfassung von Rissen oder anderen Materialfehlern in der Oberfläche sich relativ zur Meßeinrichtung bewegender und elektrisch leitender Objekte, wobei mit einem Spulensystem der ersten oder zweiten Art ein Wirbelstromfeld im Objekt angeregt und mit einem Spulensystem der jeweils anderen Art Änderungen des Wirbelstromfeldes durch Materialfehler durch Auswerten der induzierten Spannungen detektiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tastspulensystem erster Art so aufgebaut ist, daß es im Anregungs­ fall in einem Objekt (1) ein Wirbelstromfeld (2) geometrisch ähnlich dem eines mit Wechselstrom betriebenen U-Kern-Spulensystems mit zur Objekt­ oberfläche gerichteten Schenkeln (3) erzeugt und daß das Tastspulensystem zweiter Art (4) mit seiner Achse in der Symmetrieebene senkrecht zum ver­ bindenden Schenkel des Tastspulensystems erster Art angeordnet und selbst symmetrisch zu dieser Ebene ist, daß jedes Spulensystem um seine senkrecht auf der Objektoberfläche stehende Achse drehbar ist und/oder daß die Spulen­ systeme quer zur Verbindungsrichtung zwischen Anregungs- und Nachweisspulen­ system verschoben werden können und daß im Bereich der Spulenfelder ein in seiner Lage justierbarer, elektrisch leitender Gegenstand angebracht ist, so daß mit ihm die Hochfrequenzkopplung zwischen den Anregungs- und Nach­ weisspulensystemen beeinflußt werden kann.

2. Wirbelstrommeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Tastspulensysteme der ersten Art um ein im wesentlichen rotationssymme­ trisches Spulensystem angeordnet sind, wobei das rota­ tionssymmetrische System das Wirbelstromfeld anregt und die anderen Spulensysteme zum Nachweis von Änderun­ gen des Wirbelstromfeldes dienen.

3. Wirbelstrommeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Nachweis­ spulensysteme erster Art auf einem Kreis um die Erreger­ spule angeordnet sind mit - vom Kreismittelpunkt aus ge­ sehen - Winkelabständen von 45° oder Vielfachen davon.

4. Wirbelstrommeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulensystem erster Art aus einem spulenumwickelten U-Kern aus magnetischem Ma­ teril besteht.

5. Wirbelstrommeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulensystem erster Art aus zwei Hochfrequenz-Luftspulen besteht, die im entge­ gengesetzten Drehsinn von elektrischem Strom durchflossen werden.

6. Wirbelstrommeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulensystem zweiter Art aus einem Schalenkern aus magnetischem Material mit eingelegter Spule besteht.

7. Wirbelstrommeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulensystem zweiter Art aus einer zylinderförmigen Spule besteht.

8. Wirbelstrommeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einsatz nur je eines Spulensystems erster Art und zwei­ ter Art die Symmetrieebene des resultierenden Spulensystems mit der erwarteten Richtung von Rissen einen Winkel von 20° bis 70° bildet.

9. Wirbelstrommeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung des Meßkopfes (13) zumindest auf der Meßobjekt­ seite aus elektrisch nichtleitendem, gegebenenfalls temperatur­ beständigem Material, wie z. B. Glas oder Keramik, besteht.

10. Wirbelstrommeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastspulensysteme entweder einzeln und/oder gemeinsam mit einer Hochfrequenzabschirmung (18 und/oder 19) versehen werden.

11. Wirbelstrommeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel an den Spulensystemen entlang zu der Innen­ fläche der zum Objekt zugewandten Wand der Kopfumhüllung geführt wird, dann durch einen Kühlspalt zwischen Polunterseite und Meß­ kopfbodenfläche strömt, und daß das abfließende Kühlmittel durch Zwangsführung an den inneren Seitenflächen des Meßkopfes entlang strömt.

12. Wirbelstrommeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Seitenflächen des Kopfes durch einen metalli­ schen Zylinder (14) vor Beschädigungen geschützt werden.