DE3148640C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wirbelstrom-Prüfgerät zur zerstörungsfreien Auffindung von Rissen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein solches Prüfgerät ist durch die US 41 91 922 bekannt geworden. Wirbelströme können in leitenden Materialien induziert werden, indem ein sich veränderndes Magnetfeld in der Nähe des Materials aufgebaut wird. Solche Ströme führen zu einem Feld, das dem induzierenden Feld entgegengesetzt ist und durch einen geeigneten Wandler oder Meßumformer erfaßt werden kann. Die Art und Struktur des Materials führt zu einem charakteristischen Wirbelstrommuster. Jede Störung des Musters zeigt einen Bereich eines möglichen Fehlers an. Eine feldinduzierende Wandlerspule kann selbst verwendet werden, um das Wirbelstrommuster durch die Impedanzänderung auszuwerten, die durch das entgegengesetzt gerichtete Feld induziert ist.

Signale aufgrund von Wirbelströmen sind klein und treten überlagert mit größeren Signalen aufgrund anderer Effekte in Erscheinung. Insbesondere erscheint ein Wirbelstromsignal an einem Wandlerausgang als kleines Modulationssignal eines im wesentlichen konstanten Bezugspegelsignals. Um das Bezugspegelsignal zu entfernen, damit ein meßbares Signal vorliegt, sind zwei Wandler in einer herkömmlichen Brücke angeordnet, so daß das Bezugspegelsignal kompensiert wird. Eine solche Anordnung ist in der GB 20 28 510 beschrieben, in der Wandlerspulen entgegengesetzt auf einer gemeinsamen Wickelschablone für eine Drehung über einem Niet-Befestigungselement in einer technischen Struktur befestigt sind. Die Spulen sind in einer Brücke verbunden, um das Bezugspegelsignal zu kompensieren.

Ein beispielsweise in einem Loch des Befestigungselements bestehender Fehler verursacht eine Störung des Wirbelstrommusters in dieser Zone, die während einer Drehung erfaßt wird, wenn eine Spule die Zone durchläuft. Die entgegengesetzte Spule liefert ein Bezugspegelsignal entsprechend einer fehlerfreien Struktur an einer Bezugsstelle, und ein meßbares Signal aufgrund des Fehlers wird am Brückenausgang erzeugt. Eine Messung von Signalkomponenten in Phase und mit 90°-Verschiebung führt zu einer Information über die Art des Fehlers.

In Brückenanordnungen müssen die die Brücke bildenden Wandler sorgfältig angepaßt werden. Die interessierenden Signalpegel in Wirbelstrom-Meßwandlern müssen insbesondere eng angepaßt werden. Die Genauigkeit, mit der Wandler angepaßt werden können, liefert eine Schranke für die Arbeitsweise eines Systems mit einer Brückenanordnung.

In Systemen, die Unterschiede im Signalpegel zwischen einer Bezugsstelle und einem Meßstellenwandler erfassen, bedingt eine Fehlanpassung einen direkten Fehler, und zahlreiche solcher Systeme verwenden eine zusätzliche Schaltungsanordnung, um einen Brückenabgleich zu erzielen.

Der grundsätzliche Aufbau von Wirbelstrom-Prüfgeräten zur zerstörungsfreien Auffindung von Rissen ist neben den bereits genannten durch eine Reihe von weiteren Veröffentlichungen bekannt geworden:

So ist in DE-Z: Messen + Prüfen/Automatik, Januar/Februar 1975, Seite 31-36, 39, und März/April 1975, S. 91-95, eine Zusammenfassung der theoretischen Grundlagen der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung enthalten. Es ist ein typisches Wirbelstrom-Prüfgerät erläutert, das einen Wechselstromgenerator zur Erregung der Prüfspulen aufweist, dessen Frequenz zur Anpassung an die Leitfähigkeit des Materials veränderbar ist. Das Meßsignal wird nach Verstärkung einem phasenselektiven Gleichrichter zugeführt. Das detektierte Signal wird nach Filterung mittels Schwellenwertstufen klassifiziert.

Die DE-OS 28 14 125 zeigt Maßnahmen zur verbesserten Erkennung von Impedanzänderungen bei Anwendung unterschiedlicher Prüffrequenzen, und die US 35 28 003 zeigt insbesondere eine Auswertschaltung mit einer Schwellenwertstufe, deren Ansprechschwelle durch das Eingangssignal veränderbar ist.

In der DE-OS 20 29 062 ist ein Verfahren zur automatischen Eichung des Wirbelstrom-Prüfgeräts beschrieben, bei dem die Meßempfindlichkeit konstant gehalten wird, wobei von Rißprüfbildern von Vergleichsstücken ausgegangen wird.

Die der vorliegenden Erfindung am nächsten kommende Vorveröffentlichung US 41 91 922 zeigt eine automatische Einstellung des Bezugssignals nach Amplitude und Phase zur Kompensation des Störsignals. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung werden jedoch die dafür erforderlichen Einstellungen über Regelkreise bewirkt, die in analoger Technik ausgebildet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wirbelstrom-Prüfgerät zu schaffen, dessen elektronischer Teil mit handelsüblichen, insbesondere digitalen Baugruppen ausgestattet ist und womit ein zuverlässiger, schneller und genauer Abgleich des Prüfgeräts durchführbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale.

Das Ausgangssignal des Abgleichsignalgenerators wird zu Beginn der Messung nach Schätzwerten bestimmt. Alternativ kann das Ausgangssignal während eines Kalibrierzyklus bestimmt werden, der einem Meßzyklus vorangeht, wobei der Kalibrierzyklus in vorteilhafter Weise eine Vielzahl von iterativen oder sich wiederholenden Schritten einschließt. Das Ausgangssignal des Abgleichsignalgenerators kann eingestellt werden, indem Komponenten des Bezugspegels in Phase und 90°-Verschiebung bestimmt werden.

Es sei betont, daß die Erfindung die Beschränkungen der herkömmlichen Wirbelstrommessung überwindet, da der Bezugspegel so eingestellt werden kann, daß er einer bekannten fehlerfreien Struktur oder dem Mittelwert typischer Proben oder einem anderen bevorzugten Pegel entspricht. Damit treten Probleme, die mit einer Fehlanpassung und wechselseitigen Fehlern verbunden sind, bei der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung nicht auf.

Signalpegel werden vorzugsweise durch Steuerkoeffizienten eingestellt, die beispielsweise das Ausgangssignal des Abgleichsignalgenerators und ein Erregersignal steuern. Die Koeffizienten können in bevorzugter Weise berechnet und durch einen Computer gemäß einem iterativen Algorithmus eingestellt werden. In bevorzugter Weise sind Steuereingänge mit Sammelschienen verbunden, wobei zusätzliche Funktionen vorgesehen sind, wie beispielsweise eine Steuerung einer drehbaren Sonde. Wenn eine drehbare Sonde verwendet wird, sind vorzugsweise einander entgegengesetzt angeordnete Spulen vorgesehen, so daß die Sonde iterativ zentriert werden kann, indem Symmetrie während eines Zentrierzyklus gesucht wird.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 2 in einem Flußdiagramm den Betrieb des Ausführungsbeispiels von Fig. 1.

Eine Sonde zur Rißerfassung ist in der oben angegebenen GB-Patentanmeldung 20 28 510 beschrieben. Die Sonde umfaßt zwei Wandler, die die Form von Spulen haben, welche angeordnet sind, um die Energie von Wirbelstromfeldern zu erfassen, wenn sie in enger Nachbarschaft zu einem Werkstoff liegen, und um das Vorhandensein von Rissen mittels darin auftretenden Änderungen festzustellen. Dies führt zu einem Signal, das sich hinsichtlich eines Bezugssignals ändert. Im Ausführungsbeispiel der beschriebenen Sonde sind zwei derartige Wandler in einer abgeglichenen Konfiguration angeordnet.

Der Wandler wird mit einem sinusförmigen Erregerstrom beaufschlagt, und das Wandlersignal ändert sich in Amplitude und Phase aufgrund von Änderungen der Wirbelstromfelder, bezogen auf ein Vergleichssignal.

Die Meßvorrichtung empfängt ein Wandlersignal von einer Spule 20, das sich in Phase und Amplitude hinsichtlich des Vergleichssignals ändert, und sie umfaßt einen Abgleichsignalgenerator 21 zum Erzeugen eines Signales mit Komponenten, die untereinander um 90° verschoben sind und die im wesentlichen den Bezugspegeln entsprechen. Das Ausgangssignal des Abgleichsignalgenerators wird mit dem Wandlersignal durch einen Summenverstärker 22 vereinigt, um auf einer Ausgangsleitung 23 ein meßbares Signal zu erzeugen.

Ein Erregersignal liegt am Wandler 20 mittels einer Erregerstromquelle 24. Die Erregung ist sinusförmig, und die Frequenz und Amplitude werden durch eine Frequenzsteuerung 25 und eine Amplitudensteuerung 26 gesteuert. Der Abgleichsignalgenerator 21 ist derart angeordnet, daß ein Signal mit jeweils einer Komponente in Phase und um 90° verschoben, bezogen auf das Erregersignal, erzeugt wird. Diese liegen an einem Ausgang 27 bzw. 28. Sie werden mit einer Amplitudensteuerung 29 bzw. 30 in ihrer Größe eingestellt und durch einen Summenverstärker 31 vereinigt, um ein Ausgangssignal an 32 zu erzeugen.

Damit die durch das meßbare Signal auf der Ausgangsleitung 23 geführte Information einfach ausgewertet werden kann, wird die übliche Technik einer synchronen Demodulation benutzt, um das Signal in eine Komponente in Phase und um 90° verschoben auf Signalleitungen 37 und 38 zu zerlegen. Demodulatoren 33 und 34 sind durch Rechteckwellensignale auf Leitungen 35 bzw. 36 angesteuert. Diese Signale sind in Phase bzw. um 90° verschoben mit dem Signal der Erregerstromquelle 24.

Die Frequenzsteuerung 25, die Amplitudensteuerung 26 und die Amplitudensteuerungen der Komponenten in Phase und um 90° verschoben vom Abgleichsignalgenerator 21 werden angepaßt, um beaufschlagbar und einstellbar zu sein von einem Digitalwort, das jeweils an Eingängen 39, 40, 41 und 42 aufgenommen wird und einen Steuerkoeffizienten in Digitalformat darstellt. Das Digitalwort wird vom Ausgang einer Rechner-Ausgabesammelschiene 43 empfangen, die programmgesteuert ist, so daß die gewünschten Signale durch Einstellen der Steuerkoeffizienten erzeugt werden können. Die Größe der Komponenten in Phase und der um 90° verschobenen Komponenten des Meßsignals am Ausgang 23 werden einem Datensammelschieneneingang 44 über einen Multiplexer 45 und einen Analog/Digital-Umsetzer 46 (A/D) mitgeteilt. Ein durch die Rechner-Ausgabesammelschiene 43 gesteuertes Verriegelungsglied 47 wählt entweder die Ausgangsleitung 37 für die Komponente in Phase oder die Ausgangsleitung 38 für die um 90° verschobene Komponente für eine Nachrichtenübertragung über den Analog/Digital-Umsetzer 46. Die Rate der Nachrichtenübertragung kann gemäß den üblichen Prinzipien gewählt werden, die für das Abtasten von Analogsignalen gelten. Zusätzlich ist ein Verriegelungsglied 57 für andere Steuerfunktionen, wie beispielsweise zur Steuerung der drehbaren Sonde für Rißerfassung, auf Steuerleitungen 52 vorgesehen. Das Ausgangssignal der Rechner-Ausgabesammelschiene 43 kann auch an einer Video-Schnittstelle 48 für Übertragung zu einer Sichtanzeige empfangen werden, so daß eine sichtbare Anzeige von Ergebnissen und des Betriebs geliefert werden kann. Die Steuerfunktion der Rechner-Ausgabesammelschiene 43 wird durchgeführt, wenn das relevante Freigabeeingangssignal von einem Rechnerausgangsanschluß gemäß der folgenden Tabelle gemeldet wird.

FREIGEBEN 1:
Einstellen der Amplitude der um 90° verschobenen Komponenten des Abgleichsignales (EN1).
FREIGEBEN 2:	Einstellen der Amplitude der Komponenten in Phase des Abgleichsignales (EN2).
FREIGEBEN 3:	Einstellen der Frequenzsteuerung - Erregerstromquelle (EN3).
FREIGEBEN 4:	Einstellen der Amplitudensteuerung (EN4).
FREIGEBEN 5:	Einstellen der Verriegelung - Steuerfunktion (EN5).
FREIGEBEN 6:	Einstellen der Verriegelung - Multiplexersteuerung (EN6).
FREIGEBEN 7:	Daten zu Video-Schnittstelle (EN7).

Eine zusätzliche Spule 49 der drehbaren Sonde kann anstelle des Abgleichsignalgenerators 21 geschaltet werden, indem ein Schalter 50 umgeschaltet wird, so daß die Sonde direkt über dem Niet justiert werden kann. Wenn die Sonde nicht genau justiert ist, wird bei einer Drehung der Sonde ein Fehlersignal aufgrund der Asymmetrie erzeugt, und die zum Zentrieren erforderliche Sondenbewegung kann berechnet werden.

Der Betrieb der Vorrichtung kann mittels einer Rechnersteuerung über die Rechner-Ausgangssammelschiene 43 gesteuert werden. Das erzeugte Meßsignal kann in Komponentenform in Digitalformat am Datensammelschieneneingang 46 für eine folgende Auswertung empfangen werden. Der Betrieb kann jedoch beispielsweise iterativ gemäß einem Programm nach dem Flußdiagramm von Fig. 2 ablaufen.

Die Steuerkoeffizienten sind anfänglich auf Schätzwerte eingestellt, die auf vorhergehenden Messungen oder Berechnungen beruhen. Das Zentrieren der Sonde wird durch Überwachen des Signales am Ausgang 23 mit der zusätzlichen Spule 49 bestimmt, die durch den Schalter 50 anschaltbar ist, der seinerseits durch das Verriegelungsglied 57 gesteuert ist. Wenn die Sonde ungenau zentriert ist, kann eine neue Stelle der Sonde berechnet und die Sonde bewegt werden. Die Sonde kann in vorteilhafter Weise durch einen Bediener aufgrund von Signalen bewegt werden, die durch den Rechner auf Anzeigeleitungen 51 erzeugt sind. Die für das Zentrieren benötigte Zeit kann verringert werden, indem eine zusätzliche Eingangsschaltung für Spulenpaare vorgesehen wird, die entgegengesetzt auf dem gleichen Umfang wie das Spulenpaar 20 und 49 angeordnet sind.

Erfindungsgemäß wird das Signal von der Spule 20 abgeglichen, indem die Steuerkoeffizienten der Amplitudensteuerung 29 für die Komponente in Phase und der Amplitudensteuerung 30 für die um 90° verschobene Komponente eingestellt werden, damit ein Meßsignal am Ausgang 23 erzeugt wird. Eine Messung erfolgt durch Drehung der Spule 20, wie dies oben erläutert wurde. Die Komponenten in Phase und um 90° verschoben des Signales werden zum Datensammelschienenausgang 44 zur Speicherung übertragen. Das empfangene Signal kann analysiert werden, um seine Eignung in Termen des Signalpegels (Amplitude) und Auflösung (Frequenz) für eine Entscheidung auf das Vorhandensein eines Risses herbeizuführen. Wenn die Entscheidungs-Aussagewahrscheinlichkeit nicht genügend hoch ist, können die Steuerkoeffizienten der Frequenzsteuerung 25 und der Amplitudensteuerung 26 iterativ eingestellt werden, bis eine Entscheidung mit der erforderlichen Aussagewahrscheinlichkeit durchgeführt werden kann.

Das Programm kann in vorteilhafter Weise so aufgebaut sein, daß eine Vielzahl aufeinanderfolgender Messungen erleichtert wird und eine Warnunterbrechung lediglich abgegeben wird, falls das Vorhandensein eines Risses erfaßt wird. Zustandsberichte und eine visuelle Anzeige der Lage und Größe von Rissen können visuell über die Video-Schnittstelle 48 geliefert werden.

Claims (2)

1. Wirbelstrom-Prüfgerät zur zerstörungsfreien Auffindung von Rissen eines Bauteils in der Nähe einer Befestigungsstelle mit

   • - einer Sonde, die auf einem magnetisierbaren Kern eine Spule (20) aufweist und die schrittweise über der Befestigungsstelle bewegt wird;
   • - einer Erregerstromquelle (24) mit Wechselstrom;
   • - einer Schaltung (21) zur Bildung eines Kompensationssignals (32), das von der Erregerstromquelle (24) abgeleitet ist, dessen Amplitude und Phasenlage so eingestellt sind, daß Störsignale im Meßsignal (23) automatisch kompensiert sind;
   • - einem Summenverstärker (22) zur Zusammenfassung des Signals von der Spule (20) und des Kompensationssignals (32);
   • - einem Synchrondemodulator (33, 34) zur Detektierung des Meßsignals (23);
2. dadurch gekennzeichnet, daß

   • - das Kompensationssignal (32) von einem Abgleichsignalgenerator (21) geliefert ist, der erzeugt
     • = ein in der Amplitude einstellbares Signal (27), das mit dem Signal der Erregerstromquelle (24) in Phase ist, und
     • = ein in der Amplitude einstellbares Signal (28), das um 90° gegenüber dem Signal der Erregerstromquelle (24) phasenverschoben ist; und
     • = der aus den beiden Signalen (27, 28) mit einem Summenverstärker (31) das Kompensationssignal (32) bildet;
   • - die Ausgangssignale (37, 38) des Synchrondemodulators (33, 34) über einen Multiplexer (45) nach Analog/Digitalwandlung (46) an einen Datensammelschieneneingang (44) zur Weiterleitung an einen Computer gegeben werden;
   • - der Computer nach Maßgabe der Ausgangssignale (37, 38) des Synchrondemodulators (33, 34) zur Durchführung eines iterativen Abgleichs des Prüfgerätes folgende Einstellsignale über die Rechner-Ausgabesammelschiene (43) abgibt:
   • EN1 und EN2 zur Amplitudeneinstellung (29, 30) der beiden Signale (27, 28) des Abgleichsignalgenerators (21);
   • EN3 zur Frequenzsteuerung (25) der Erregerstromquelle (24);
   • EN4 zur Amplitudensteuerung (26) des Erregersignals;
   • EN5 zur Freigabe der Steuerung eines Verriegelungsgliedes (57) für Sondensteuerung (52), Steuerung der Anzeigeleitungen (51) und eines Schalters (50) zur Anschaltung einer zusätzlichen Sondenspule (49);
   • EN6 zur Freigabe der Steuerung eines Verriegelungsgliedes (47) zur Steuerung der Eingabe des Multiplexers (45); und
   • EN7 zur Abschaltung einer Sichtanzeige (48).