DE3148640T1

DE3148640T1 - Improvements in or relating to measurement apparatus

Info

Publication number: DE3148640T1
Application number: DE813148640T
Authority: DE
Inventors: D Harrison
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1980-05-22
Filing date: 1981-05-19
Publication date: 1982-07-29
Also published as: GB2078965B; JPH0338542B2; GB2078965A; DE3148640C2; US4496904A; WO1981003381A1; JPS57500664A

Description

■^: 3H-864Q

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London SWlA '2HB

Großbri tannien

Meßvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung und insbesondere eine· Vorrichtung zum zerstörungsfreien Prüfen von Werkstoffen und. Strukturen durch Wirbelstrommessung.

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 zu prüfen, die durch das entgegengesetzt gerichtete Feld induziert ist.

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Signale aufgrund von Wirbelströmen sind klein und treten überlagert mit größeren Signalen aufgrund anderer Effekte in Erscheinung. Insbesondere zeigt sich ein Wirbelstromsignal an einem Wandlerausgang als kleine Störungen um ein im wesentlichen konstantes Bezugspegelsignal. Um das Bezugspegelsignal zu entfernen, damit ein meßbares Signal vorliegt, sind zwei Wandler in einer herkömmlichen Brücke angeordnet, so daß der Bezugspegel ausgeglichen wird. Eine solche Anordnung ist in der GB-Patentanmeldung 2 028 510 A beschrieben, in der Wandlerspulen entgegengesetzt auf einer gemeinsamen Wickelschablone für eine Drehung über einem Niet-Bofestigungselement in.einer technischen Struktur befestigt sind. Die Spulen sind in einer Brücke verbunden, um das Bezugspegelsignal auszugleichen.

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 BezugS-pegelsignal entsprechend einer Schallstruktur an einer Bezugsstelle, und ein meßbares Signal aufgrund des Fehlers wird am Brückenausgang erzeugt. Eine Messung von Signalkomponenten in Phase und in 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 Brückenan-

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Ordnung.

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. Eine grundlegende Einschränkung solcher Systeme mit in einer Brücke angeordneten Wandlern ist die Unfähigkeit, zuverlässig Fehler an der Meß- und der Fehlerstelle zu erfassen.

Erfindungsgemäß hat eine Meßvorrichtung zum Empfangen eines Wirbelstrom-Wandlersignales, das sich hinsichtlich eines Bezugspegels ändert, einen Signalgenerator zum Erzeugen eines Signales auf im wesentlichen dem Bezugspegel , wobei das Ausgangssignal des Signalgenerators mit dem Wandlersignal vereinigt wird, um ein meßbares Ausgangssignal zu erzeugen.

Wenn Wandler eine äußere Anregung.erfordern, kann der Signalgenerator die Form einer Einrichtung annehmen, um ein Signal zu erzeugen, das proportional zum Anregungssignal oder eine Funktion von diesem ist.

Das Ausgangssignal des Signalgenerators ist vorzugsweise vorbestimmt. Alternativ kann das Ausgangssignal während eines Kalibrierzyklus bestimmt werden, der einem Meßzyklus vorangeht, wobei der Kalibrierzyklus in vorteilhafter Weise eine Vielzahl von iterativen öder sich wiederholenden Schritten einschließt. Das Ausgangssignal des Signalgenerators kann eingestellt werden, indem Komponenten des Bezugspegels in Phase und 90°-Ver-

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Schiebung bestimmt werden.

Es sei betont, daß die Erfindung die Einschränkungen 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 einer Fehlanpassung und wechselseitigen Fehlern zugeordnet sind, bei der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung nicht auf.

Signalpegel werden vorzugsweise durch Steuerkoeffizienten eingestellt, die beispielsweise das Ausgangssignal des Signalgenerators und ein Anregungssignal steuern. Die Koeffizienten können in bevorzugter Weise berechnet und durch einen Prozessor 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 entgegengesetzte Spulen vorgesehen, so daß die Sonde iterativ zentriert werden kann, indem Symmetrie während eines Zentrierzyklus gesucht wird. Eine Spule einer zentrierten Sonde kann in einer Messung verwendet werden, wie diese oben erläutert wurde.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

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

Eine Sonde zur Rißerfassung ist in der oben angegebenen GB-Patentanmeldung beschrieben. Die Sonde umfaßt zwei Wandler, die die Form von Spulen haben, welche angeordnet sind, um Verlustenergie 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 mit Änderungen in der Verlustenergie und hinsichtlich eines Bezugspegels ändert. Im Ausführungsbeispiel der beschriebenen Sonde sind zwei derartige Wandler in einer abgeglichenen Konfiguration angeordnet.

Der Wandler wird mit einer sinusförmigen Anre·^ gung beaufschlagt, und das Wandlersignal ändert sich in Amplitude und Phase hinsichtlich eines Bezugspegels, aufgrund Änderungen in der Verlustenergie.

Der Bezugspegel' kann als einen Bezugspegel, der fn· Phase ist, und einen Bezugspegel, der um 90° verschoben ist, aufweisend angesehen werden, und erfindungsgemäß hat die Meßvorrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen eines Signales mit einer Komponenten auf im wesentlichen dem Bezugspegel, der in Phase ist, und einer Komponenten auf im wesentlichen dem Bezugspegel, der um 90 verschoben ist.

Die Meßvorrichtung empfängt ein Wandlersignal von einer Spule 20, das sich in Phase und Amplitude hinsieht-

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lieh der Bezugspegel ändert, und sie umfaßt einen Abgleichsignalgenerator 21 zum Erzeugen eines Signales mit Komponenten, die in Phase und um 90° verschoben sind, auf im wesentlichen jeweils den Bezugspegeln. Das Ausgangssignal des Abgleichsignalgenerators wird mit dem Wandlersignal durch einen Verstärker 22 vereinigt, um auf einer Ausgangsleitung 23 ein meßbares Signal zu erzeugen.

Ein Anregungssignal liegt am Wandler 20 mittels eines. Anregungsgenerators 24. Die Anregung ist sinusförmig, und die Frequenz und Amplitude des Anregungssignals werden durch eine Frequenzsteuerschaltung 25 und eine Amplitudensteuerschaltung 26 gesteuert, die eine Dämpfung des Signals vom Anregungsgenerator 24 hervorruft. Der Abgleichsignalgenerator 21 ist derart angeordnet, daß ein Signal mit einer Komponenten in Phase und um 90° verschoben im wesentlichen auf dem Bezugspegel in Phase und dem um 90° verschobenen Bezugspegel erzeugt wird. Der Abgleichsignalgenerator ist vorgesehen, um ein Signal in Phase und ein um 90° verschobenes Signal mit dem Signal vom Anregungsgenerator 24 an einem Ausgang 27 bzw. 28 zu erzeugen. Diese Signale werden durch eine Amplitudensteuerschaltung 29 bzw. 30 gedämpft und durch einen Verstärker 31 vereinigt, um ein Signal an einem Ausgang 32 mit Komponenten in Phase und um 90° verschoben auf im wesentlichen den Bezugspegeln in Phase und um 90° verschoben 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 Sicjnalleitungen 37 und

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38 zu zerlegen. Demodulatoren 33 und 34 sind durch Rechteckwellensignale in Phase und um 90° verschoben auf einer Leitung 35 bzw. 36 angesteuert, die von dem Signal beaufschlagt sind, das durch den Anregungsgenerator 24 erzeugt ist.

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 Digitalwor.t, das jeweils an Eingängen 39, 40, 41 und 42 aufgenommen wird und einen Steuerkoeffizienten in Digitalformat darstellt. Das Digitalwort wird vom Ausgang einer Rechner-Datensammelschiene 4 3 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 meßbaren Signales am Ausgang 23 werden einer Rechner-Eingabesammelschiene 44 über einen Multiplexer 45 und einen Analog/Digital-Uxnsetzer 46 (A/D) mitgeteilt. Ein durch die Rechner-Ausgabesammelschiene 4 3 gesteuertes Verriegelungsglied 4 7 wählt entweder die Ausgangsleitung 37 für die Komponente in Phase oder die Ausgangsleitung 38 für die um 90° verschobene Komponente für eine Weiter-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 Verriegelungs glied 47 für andere Steuerfunktiönen, wie beispielsweise zur Steuerung der drehbaren Sonde für Rißerfassung, auf Steuerleitungen 52 vorgesehen. Das Ausgangssignal

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der Rechner-Sammelschiene 43 ist auch an einer Video-Schnittstelle 4 8 für Weiter-tfbertragung zu einer sichtbaren Anzeigeeinheit empfangbar, so daß eine sichtbare Anzeige von Ergebnissen und des Betriebs geliefert werden kann. Die Steuerfunktion des Datensammelschienenausganges 43 wird erreicht, wannimmer das relevante Freigabeeingangssignal von einem Rechnerausgangsanschlüß 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 - Anregungsgenerator (EN3).

FREIGEBEN 4: Einstellen der Amplitudensteuerung (EN4).

FREIGEBEN 5: Einstellen der Verriegelung - Steuerfunktion (ΈΝ5).

FREIGEBEN 6: Einstellen der Verriegelung - Multiplexersteuerung (EN6).

FREIGEBEN 7: Daten zu Video-Schnittstelle (EN7).

Eine entgegengesetzte Spule 49 der drehbaren Sonde kann anstelle des Abgleichsignalgenerators geschaltet werden, indem ein Schalter 50 umgeschaltet wird, so daß

die Sonde direkt über dem Niet justiert werder, 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 4 3 gesteuert werden. Das erzeugte meßbare Signal kann in Komponentenform in Digitalformat an der Rechner-Eingabesammelschiene 46 für eine folgende Auswertung und Darstellung 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 2 3 mit der entgegengesetzten Spule 49 bestimmt, die in Schaltung durch den Schalter 50 geschaltet ist, der durch das Verriegelungsglied 47 umschaltbar 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 29 angeordnet sind.

.Erfindungsgemäß wird das Signal von der Spule

'-■■μ- ■ '-■

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 meßbares Signal 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 zur Rechner-Eingabesammelschiene 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 unangemessen ist, können die Steuerkoeffizienten der Frequenzsteuerung 25 und der Amplitudensteuerung 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 aufeinander folgender 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

Ansprüche

/ 1 .) Meßvorrichtung mit einem Wirbelstromwandler, der ein —-^y Signal erzeugt, das sich hinsichtlich eines Bezugspegels verändert, .

dadurch

gekennzeichnet ,

daß ein Signalgenerator ein Signal auf im wesentlichen dem Bezugspegel erzeugt, das mit-dem Wandlersignal vereinigt wird, um ein meßbares Ausgangssignal abzugeben.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Signalgenerator ein Signal erzeugt, das eine Funktion eines Wandler-Anregungssignales ist.
3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, · dadurch gekennzeichnet,

daß das Ausgangssignal des Signalgenerators während eines Kalibrierzyklus bestimmt wird, der einem Meßzyklus vorangeht. :
4. Meßvorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, ·

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daß der Signalgenerator ein Signal mit einer ersten Komponenten auf im wesentlichen einer Komponenten.in Phase des Bezugspegels und mit einer zweiten Komponenten auf im wesentlichen einer um 9< ponenten des Bezugspegels erzeugt.

ten auf im wesentlichen einer um 90° verschobenen Kom-