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Verfahren und Vorrichtung für die Erzeugung von Wirbel-
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stromfeldern.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die
Erzeugung von Wirbelstromfeldern, insbesondere bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung
mittels der Wirbelstromtechnik, bei der im Prüfling in einer mittels eines elektrischen
Impulses erregten Prüfspule ein Wirbelstromfeld induziert wird, dessen Stromausbildung
gemessen und ausgewertet wird.
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Hauptanwendunosgebiet der Erfindung ist die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung,
jedoch ist die Erfindung auch auf jedem anderen Gebiet anwendbar, auf dem die Erzeugung
eines Wirbelstromfeldes erforderlich ist.
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In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung wird üblicherweise als Anregungsschwingung
für das Wirbelstromfeld eine elektrische monofrequente Dauerschwinguna r.littels
eines Generators erzeugt, die über eine Spule (Prüfspule) in ein magnetisches Wechselfeld
umgesetzt wird, das im Inneren leitender Werkstoffe ein Wirbelstromfeld erzeugt,
das mit der anregenden Frequenz pulsiert. Veränderungen des Werkstoffes, wie z.B.
der Leitfähigkeit, der Permeabilität u.
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a.m. wirken sich auf den Stromfluss aus. Nach der Lenz' schen Regel
wirkt diese Ausbildung auf das anregende Feld zurück und kann an diesem nachgewiesen
werden. Die Stromausbildung kann jedoch auch mit einer zweiten Spule, entweder auf
der gegenüberliegenden Seite des Bauteiles oder auf der gleichen Seite ("Reflexion")
gemessen werden. Der vom Wirbelstrom überdeckte Bereich und seine Ausbildung sind
frequenzabhängig. Eine weitere beeinflussende Grösse ist der Abstand der Spulen
von der Prüflingsoberfläche und
damit die Stärke des Luftspaltes.
Zusätzliche Einflussgrdssen sind Fehler, Werkstoffeigenschaften, Werkstu.ckgeometrie,
Oberflächenzustand und Temperatur. Infolge dieser grossen Zahl von Einflussgrössen
können u.U. völlig verschiedene Ursachen gleiche Signale liefern. Die Interpretation
der empfangenen Signale ist demzufolae schwiering.
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Wegen der grossen Bedeutung, die der Wirbelstromtechnik heute insbesondere
für die Prüfung dünnwandiger, elektrisch leitender Bauteile, wie z.B. austenitischer
Stähle, zukommt, sind Anstrengungen unternommen worden, um das Problem der schwierigen
Interpretierbarkeit der Signale zu verkleinern.
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Hierbei hat sich herausgestellt, dass durch die Verwendung mehrerer
Prüffrequenzen die Störgrössen verringert werden können. Diese Technik ist jedoch
mit folgenden Nachteilen verbunden: - Die Eindringtiefe ist begrenzt, sodass dickere
Bauteile nicht geprüft werden können.
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- Ueber die Tiefenlage der anzuzeigenden Fehler und ihre Tiefena.usdehnuna
ist eine Information nur schwer zu erzielen.
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- Da die Informationen über die Tiefenabmessungen des Fehtiers nicht
getrennt zu erfassen sind, sind auch die weiteren Informationen über die Fehlergeometrie,
die das Signal ebenfalls beeinflussen, nicht trennbar.
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- Die Auswertung der Signale, die im Frequenzbereich (Amplituden-
und Phasenlage) in der komplexen Impedanzebene erfolgt, ist -sehr aufwendig und
verlangt hohe Fachkenntnisse für die Bedienung und die Interpretation des Befundes.
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Um die Eindringtiefe zu verbessern und die Ermittlung der Tiefenlage
eines Fehiers zu vereinfachen, ist man dazu übergegangen, das Impuls-Wirbelstromverfahren
einzusetzen. Hierbei wird eine Spule mit einem kurzen, einseitigen elektri-
schen
Spannungszug, z.B. einem steilen Impuls oder einem Rechteck, angeregt. Zur Veranschaulichung
der nachstehenden Erläuterungen dienen die Fig. la bis If. Es zeigen: Fig. la: eine
graphische Darstellung eines Rechteck-Impulses einer Dauer von 1 ms, Fig. lb: das
Frequenzspektrum dieses Rechteck-Impulses (Ordinate: 10 dB/div, Abszisse: o,5 kHz/div),
Fig. lc: das Frequenzspektrum des Impulses nach den Fig.
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la und lb nach Anschluss der Prüfspulen und Durchlaufen einer Aluminiumplatte
von 1 mm Dicke (0,5 kHz/div), Fig. ld: das Frequenzspektrum des Impulses nach den
Fig.
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la und lb nach Anschluss der Prüfspulen und Durchlaufen einer Aluminiumplatte
vom 10 mm Dicke (t,5 kHz/div), Fig. le: den Zeitverlauf des Impulses nach Fig. ld
(Abszisse: 1 ms/div) und Fig. lf: den Zeitverlauf des Impulses nach Fig. lc (Abszisse:
1 ms/div) Je nach Auslegung der Spule (Induktivität) entsteht durch die Impuls-Anregung
ein Impuls, dessen Frequenzspektrum neben dem Spektrum des elektrischen Impulses
durch die Filterwirkung der Spule geprägt ist. Ausserdem beeinflusst die Kopplung
das Spektrum. In jedem Fall besitzt der anregende Impuls seine Hauptanteile, d.h.
seine maximalen Amplituden, bei der Frequenz f = 0, bei der eine Wirbelstromausbildung
nicht möglich ist. Zu hohen Frequenzen und damit zu den Prüffrequenzen hin fällt
das Spektrum ab. Demzufolge ist die Anregung energetisch ungünstig (vergl. Fig.
lb).
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Die Spule, die eine Induktivität und damit eine frequenzabhängige
Impedanz darstellt, übt je nach ihrer Auslegung eine Filterwirkung auf das Impuls-Spektrum
aus, die dadurch zustande
kommt, dass der elektrische Sender als
Generator bei niedrigen Frequenzen im Kurzschluss betrieben wird, während bei höheren
Frequenzen die steigende Impedanz der Prüfspule keine Energieaufnahme mehr zulässt.
Diese Filterwirkung wird durch die Werkstückeigenschaften (Skin-Effekt, Oberflächeneinfluss)
noch verstärkt, sodass sie in ihrem Ausmass nicht voraussehbar ist. In jedem Fall
muss jedoch mit einem relativ breitbandigen Impuls gerechnet werden (vergl. Fig.
lc und ld), der unterschiedliche Frequenzanteile nicht genau bekannter Intensität
besitzt, die sich mit zunehmender Tiefe im Werkstück verändern. Da diese Frequenzanteile
somit von der Tiefe im Werkstück abhängen, reagieren sie mit in verschiedenen Tiefen
liegenden Fehlern auch unterschiedlich.
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Wird nun der Impuls im Zeitbereich, d.h. durch das Setzen von Zeitfenstern,
analysiert, so ist zwar eine verbesserte Eindringtiefe zu verzeichnen und auch eine
Signalbeeinflussung durch die Tiefenlage der Fehler, jedoch ist die Information
bei nicht bekannter Fehlertiefe und nicht bekanntem Impulsspektrum nur verschlüsselt
vorhanden, insbesondere, weil verschiedene Einflüsse (Sendeimpulsspektrum, Prüfspule,
Fehlertiefe, Tiefenausdehnung, Kopplung, die o.a. Störgrössen u.a.m.)das Spektrum
und damit den Zeitverlauf des Impulses gleichsinnig beeinflussen können. Deshalb
ist ihre Trennung nur unvollständig möglich. Aus diesem Grunde müssen auch die Zeitfenster
je nach Tiefenlage des Fehlers anders gesetzt und die Impulslänge verändert werden.
Das ist aber bei der Prüfung von Werkstücken, bei denen die Fehler tiefe unbekannt
ist, nicht möglich, sodass eine Prüfung nicht unter optimalen Bedingungen erfolgen
kann. Der mit der Impuls-Wirbelstromtechnik erreichbare Vorteil der grösseren Eindringtiefe
und der Erfassung eines Einflusses der Fehlertiefe auf die Impulsform geht somit
zu Lasten der bei der Mehrfrequenzenprüfung vorhandenen klar definierten Ver-
hältnisse
und der damit verbundenen besseren Störsignalunterdrückung. Dadurch, dass die Information
aus zeitlichem Verlauf und Frequenz nur gekoppelt darstellbar ist und keine definierten
Verhältnisse eingestellt werden können, ist eine Information über die Tiefenausdehnung
eines Fehlers sowie eine nähere Beschreibuna der anderen Fehlerdimensionen nicht
möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
für die Erzeugung von Wirbelstromfeldern, insbesondere bei der zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung mittels der Wirbelstromtechnik zu schaffen, mit welchem bei energetisch
günstiger Anregung und vergrösserter Eindringtiefe die Störgrössen so weitgehend
eliminiert werden können, wobei auch ein Ausgleich der Uebertragungsfunktionen von
Prüfspule und Prüfling ermöglicht wird, dass eine wesentlich verbesserte Signalinterpretierung
und -auswertuna möglich ist.
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Die Erfindung beruht auf dem Grundaedanken, die Vorteile der Mehrfrequenzenprüfung
und der Impulstechnik miteinandder zu verknüpfen. Zu diesem Zweck wird die Spule,
die zur Erzeugung des das Wirbelstromfeld induzierenden Magnetfel -des dient, mit
einer vorgegebenen monofrequenten Schwingung (Prüffrequenzschwingung) oder mit mehreren
vorgegebenen mpnofrequenten Scehwingungn sowie mit einer dieser bzw. diesen multiplikativ
überlagerten umhüllenden Funktion vorgegebener Länge und Form erregt. Weitere Merkmale
der Erfindung, insbesondere der Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens, sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
Fig. 2a: den Zeitverlauf eines Anregungsimpulses (Abszisse
2 mm/div, Mittenfrequenz fc = 250 Hz) Fig. 2b: das Spektrum des Impulses nach Fig.
2a (Ordinate: 10 dB/div, Abszisse: 0,5 kHz/div) Fig. 2c: das Spektrum des Impulses
nach den Fig. 2a und 2b nach Anschluss der Spulen und nach Durchlaufen einer Aluminiumplatte
von 1 mm Dicke (Ordapate: lO dB/div, Abszisse: 0,5 kHz/div) Fig. 2d: das Spektrum
des Impulses nach den Fig. 2a und 2b nach Anschluss der Spulen und nach Durch-1-aufen
einer Aluminiumplatte von 10 mm Dicke (Ordinate: 10 db/div, Abszisee: 0,5 kHz/div)
Fig. 2e: den Zeitverlauf des Impulses nach Fig. 2c (Abszisse 2 ms/div) Fig. 2f:
den Zeitverlauf des Impulses nach Fig. 2d (Abszisse 2 ms/div) Fig. 3: ein Blockschaltbild
einer Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens Die Vorrichtung nach Fig. 3 weist
im wesentlichen folgende Aggregate lauf: einen elektrischen Schwingungserzeuger
S für die Erzeugung von Prüffrequenzschwingungen eine Modulationseinheit ME zum
Umwandeln der Prüffrequenzschwingungen in Anregunosimpulse für den Wirbelstrom,
einen elektrisch-magnetischen Wandler, z.B. eine Wirbelstromspule WSP, dem über
einen Verstärker V und einen Impedanzwandler IW1 die elektrischen Anregungsimpulse
zugeleitet werden, eine über einen weiteren Impedanzwandler 1W2 dem Wandler WSP
nachgeschaltete Auswerteeinheit AU zum Auswerten der Prüfimpulse nach Durchlaufen
des Prüflings sowie eine dieser parallel geschaltete Optimierungseinheit OE,
in
der Testimpulse analysiert und das Ergebnis der Analyse zwecks Erzeugung optimierter
Prüfimpulse zum Verstellen der Impulsdauer benutzi wird.
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Der elektrische Schwingungserzeuger S enthält eine Anzahl parallel
geschalteter Sägezahngeneratoren SG1, ... SG2, -Frequenzgegenratoren f. f, n mit
Phasenschiebern Pl, ... Pn, , deren Amplitude einzeln mittels Amplituden-Einstellvorrichtungen
Al, ... An einstellbar ist und mit denen die Prüffrequenzen einstellbar sind. Die
vorgesschalteten Sägezahngeneratoren SG ... SG2 erlauben dabei eine Frequenzverschiebung
innerhalb einer vorherbestimmbaren Zeit. Die einzelnen Prüffrequenzen werden in
einer Ueberlagerungsvorrichtung UE additiv überlagert und einem Modulator M der
Modulationseinheit ME zugeführt, in dem sie durch Multiplikation mit einer vorgegebenen
Uberlagerungsfunktion zu Impulsen umgeformt werden.
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Die Uberlagerungsfunktion ist mittels eines Impulsfolgeoszillators
IFO in ihrer Impulsfolge wählbar und durch einen Impulsformer IF (z.B. eine digitale
Speichereinheit, die eine von einem Rechner vorgegebene Funktion enthält, oder ein
analoges Bauteile, das eine (l-cos t)-Funktion mit verschiedenen Exponenten o.ä.
erzeugt) und eine Impulsdauereinheit IDE bestimmbar. Nach der Multiplikation wird
das Sianal durch eine variable Verstärkung V auf die gewünschte Energie gebracht
und über einen Impedanzwandler 1W1 der Impedanz der Spule WSP angepasst.
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Die vorstehend beschriebenen Einrichtungen bieten folgende Verstellmöglichkeiten
für das Sendesignal: Im Impulserzeuger IE: Einstellung der Prüffrequenz Einstellung
des Frequenzhubes Einstellung der Phasenlage jeder
Prüffrequenz
Einstellung der Amplitude jeder Prüffrequenz In der Modulationseinheit ME: Einstellung
der Impulsform Einstellung der Impulsdauer Einstellung der Impulsfolge Mittels dieser
Einstellmöglichkeiten kann durch Variation des Anregungsimpulses die Breite und
Form eines Frequenzspektrums stufenlos eingestellt werden. Ebenso ist durch die
Einstellung der Prüffrequenzen in Zusammenhang mit der Impulsform und -dauer die
Erzeugung eines definierten, sowohl breitbandigen als auch sehr schmalbandigen,
d.h. nahezu monochromatischen Spektrums möglich. Hierdurch wird es möglich, mit
definierten Prüffrequenzen zu arbeiten, obgleich Impulse verwendet werden. sodass
die Vorteile der Mehrfrequenzentechnik mit denen der bisher bekannten Impulstechnik
auf einfache Weise verknüpft werden.
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Weitere wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bestehen
darin, dass - durch Verwendung schmalbandiger Impulse sehr definierte Prüfbedingungen
vorgegeben werden, die bei der bekannten Impulstechnik nicht gegeben sind. Hierzu
geben Fig. 1 und 2 ein Beispiel wieder: der bisher verwendete Impuls, ein Rechteck
mit 1 ms Dauer, besitzt ein relativ breitbandiges Spektrum (Fig. lc, ld), dessen
Maxima mit ca. 6 dB/Oktave abfallen. Durch den Anschluss der Prüfspule und nach
Durchlaufen eine 1 mm sowie eines 10 mm dicken Aluminium-Werkstückes hat sich dieser
Impuls stark entmischt, wobei der Grad der Entmischung von den elektrischen und
magnetischen Eigenschaften des Werkstückes, seiner Dicke und den Daten der Prüfspule
abhängt. Aus dem zeitlichen Verlauf des Impulses (vergl. Fig. le und lf), können
diese Einflüsse ge-
genüber dem Einfluss von Fehlern nur sehr schwer
getrennt werden, insbesondere da der Impuls wesentlich verlängert ist und sich die
positive und nenative Flanke nicht mehr trennen lassen.
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Wird dagegen ein Impuls nach der Erfindung verwendet, wie er in den
Fig. 2a-f gezeigt ist, dessen Spektrum sehr steil abfällt, wie es für eine Prüffrequenz
von 250 Hz mit einer (l-cosx t)2-Umhüllenden in Fig. 2c-2f im Zeitverlauf und Spektrum
wiedergegeben ist, so ist die Änderung in der sp.ektralen Zusammensetzung bei sonst
gleichen Prüfbedingungen wesentlich geringer. Darüberhinaus ist von Vorteil, dass
insbesondere auch der zeitliche Verlauf des Impulses, abgesehen von einer Phasenumkehr
(Fig. 2e-f), keine wesentliche Veränderung aufweist, sodass der Einfluss eines Fehlers
auf den Impuls, z.B. anhand der Veränderung der Nulldurchgänge der Schwingungen,
auf einfache Weise sichtbar wird.
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- Es kann bei schmalbandigen Impulsen mit ein- und derselben Impulslänge
geprüft werden. Die Dauer muss daher nicht mehr der Teife angepasst werden.
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- Durch die kaum veränderte Zusammensetzung der Impulse liegen für
Fehler in unterschiedlichen Tiefen gleiche Prüfbedingungen vor, wodurch eine verbesserte
Bewertung möglich wird.
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- Bei Verwendung mehrerer Frequenzen kann das frequenzabhängige Verhalten
von Fehlern erfasst werden, wodurch sich die Möglichkeiten zur Trennung einzelner
Einflussgrössen, wie Fehlertiefe, Fehlerbreite u.a.m. wesentlich verbessern.
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- Durch die definierte Vorgabe der Prüffrequenzen in einem Impuls
können die Merkmale aus Zeit- und Frequenzbereich
kombiniert werden,
sodass durch Kombination der jeweils einfachsten Kenngrössen die anschliessende
Signalinterpretation und -auswertung vereinfacht wird.
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- Durch Vorgabe definierter Prüffrequenzen verändern Probleme der
Kopplung, wie z.B. Oberflächenrauhigkeit, Verkanten der Prüfspule u.a.m. die spektrale
Zusammensetzung schmalbandiger Impule kaum.
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- Bei schmalbandigen Impulsen liegt damit aber auch eine grosse Kohärenzlänge
vor, sodass weitergehende Analysenverfahren, wie Korrelationsrechnungen, Mittlung,
holographische Weiterverarbeitung, möglich werden.
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Der mittels des Schwingunoserzeugers S und der Modul ati onseinheit
erzeugte, verstärkte Anregunosimpuls wird über den Impedanzwandler 1W1 der Wirbelstromprüfspule
WSP zugeleitet.
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Diese kann aus einer sowohl als Sende- als auch als Empfangsspule
verwendeten Spule bestehen oder, wie beim Ausführungsbeispiel, aus einer Sendespule
SP1 und mindestens einer Empfangsspule SP.
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In der Prüfspule erzeugt der Anreaunpsimpuls ein entsprechendes magnetisches
Feld, das in einem in die Spule eingeführten Prüfling P einen Wirbelstrom induziert.
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Zwecks Optimierung des Impulses wird der Anregungsimpuls zunächst
als Testimupls durch einen in die Spule eingeführten fehlerfreien Prüfling hindurchgeleitet
und nach dessen Durchlaufen mittels der Empfangsspule SP2 empfangen und in ein elektrisches
Signal gewandelt. Dieses gelangt über einen Impedanzwandler IW2 in eine Analyseneinheit
AE, in welcher es zunächs. analysiert wird. Anhand der Rnalysenergebnisse werden
sodann die Impulsdaten mittels einer Korrektureinheit KE im Hinblick auf ein bestimmtes
Ziel,
z.B. einen Ausgleich der Prüfspulen- und Prüflingsübertragungsfunktion
- im Sinne einer Optimierung verstellt.
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Die die Optimierungseinheit OE bildende Analyseneinheit AE mit Korrektureinheit
KE wird nur für die Optimierung der Prüfbedingungen benötigt.
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Der durch Verstellen der Impulsparameter anhand der Analysenergebnisse
optimierte, verstärkte Impuls wird als Prüfimpuls der Spule SP1 zugeleitet, in welcher
sich ein zu untersuchender Prüfling befindet und nach Durchlaufen dieses Prüflings
als Prüfsignal von der Spule SP2 empfangen, von der aus es nach Impedanzwandlung
zwecks Auswertung der Auswerteeinheit AU zugeleitet wird. Die Auswertung kann z.B.
anhand der Amplitude oder anhand der Nulldurchgänge für einzelne Prüffrequenzen
in Relation zum Impulsbeginn erfolgen.
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Durch die Korrektu-r der Prüfparameter wird ein Ausgleich der Uebertragungsfunktionen
von Prüfspule und ggf. auch Prüfling herbeigeführt, sodass demzufolge die Aussagen
mehrerer Prüffrequenzen und das Verhalten des zugehörigen Impulses im Zeitbereich
unmittelbar miteinander verglichen werden können. Es sind somit definierte Prüfbedingungen
geschaffen worien, wodurch die Analyse erleichteftworden ist und eine leichte Automatisierung
der Prüfung möglich gemacht worden ist.