DE3401072A1

DE3401072A1 - Elektrodynamischer wandlerkopf

Info

Publication number: DE3401072A1
Application number: DE19843401072
Authority: DE
Inventors: Ekkehard 8755 Alzenau Behl; Gerhard 8752 Laufach-Frohnhofen Hüschelrath; Ewald 6393 Wehrheim Kowol
Original assignee: Nukem GmbH
Current assignee: Nukem GmbH
Priority date: 1984-01-13
Filing date: 1984-01-13
Publication date: 1985-07-25
Also published as: DE3401072C2; GB2152668A; GB2152668B; FR2558261A1; GB8500571D0; US4596147A; JPS60159645A

Description

STRASS'SJ &*

Patentanwälte · European Patent Attorneys Dipl.-Ing. Joachim Straese, Münohen · Dipl.-Fhye. Dr. Hans-Herbert Stoffrogen, Hanau

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NUKEM GmbH
Rodenbacher Chaussee 6 6450 Hanau/Main 11

Zwelbrüokenetrattθ 16 D - 8000 Manchen 2 (Gegenüber dom Patentamt) Tolofon (OHO) 22 2B OC! Telox 0 23 0 04

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Elektrodynamischer Wandlerkopf

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrodynamischen Wandlerkopf zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken mittels Ultraschall mit vorzugsweise einem Elektromagneten, der ein Magnet joch mit äußerem Polschuh und einem von diesem umgebenen vorzugsweise sich in Richtung zum Werkstück hin konisch verjüngenden inneren Polschuh aufweist, im Bereich dessen freier dem Werkstück zugewandter Stirnfläche Erreger- und Empfangsspulen angeordnet sind, die ihrerseits zumindest auf der dem Werkstück zugewandten Seite eine Abdeckung aufweisen.

Ein entsprechender elektrodynamischer Wandlerkopf ist der GB-A-20 06 433 zu entnehmen. Der erforderliche Elektromagnet besteht dabei aus zwei koaxial angeordneten Polen, deren dem zu überprüfenden Werkstück zugerichtete Stirnseiten der Geometrie der Oberfläche des zu überprüfenden Werkstücks entspricht. Auf dem inneren Polschuh, der ebenfalls aus zwei koaxial zueinander angeordneten Abschnitten besteht, ist auf der Frontfläche eine Erreger- und Empfangsspule angeordnet, die werkstückseitig von einer Keramikschicht und magnetpolseitig von einer Isolierschicht abgedeckt sind. Bei einer entsprechenden Ausbildung der Polschuhe kann unter anderem der Nachteil auftreten, daß eine von dem zu überprüfenden Werkstück erfolgte Rückkopplung und die damit bedingte Erzeugung von Wirbelströmen in

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dem Polschuh derart erfolgt, daß eine Beeinflussung der Meßsignalauflösung unterbleibt. Auch besteht nicht die Möglichkeit, einen entsprechenden elektrodynamischen Wandlerkopf im Bereich der Erreger- und Empfangsspule unmittelbar auf dem Werkstück aufzusetzen, und Messungen bei rotierendem Elektromagnet und/oder sich drehendem Werkstück durchzuführen, da andernfalls aufgrund der wie Schmirgelpapier wirkenden Oberfläche des Werkstücks eine umgehende Zerstörung der Erreger- und Empfangsspule erfolgen würde. Die aus Keramikmaterialien bestehende Abdeckung ist nämlich nicht abriebfest.

In der DE-OS 31 23 935 ist ein elektrodynamischer Wandlerkopf beschrieben, der ebenfalls einen inneren von einem äußeren Polschuh umgebenen Pol eines Elektromagneten umfaßt, wobei der innere Polschuh auf seiner Stirnfläche Erreger- und Empfangsspule und zudem radial verlaufende Schlitze aufweist, in die gegebenenfalls isolierte Transformatorbleche eingebracht sein können. Dadurch soll ausgeschlossen werden, daß eine Rückkopplung von dem zu überprüfenden Werkstück in den Polschuh zurück erfolgt, so daß eine hohe Auflösung der Meßwerte ermöglicht wird. Ein entsprechender elektrodynamischer Wandlerkopf kann jedoch nicht auf ein zu überprüfendes Werkstück, insbesondere Rohr aufgesetzt und zu diesem bewegt werden, da andernfalls eine sofortige Zerstörung des Meßsystems erfolgen würde.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrodynamischen Wandlerkopf der zuvor beschriebenen Art so auszubilden, daß gefahrlos ein Aufsetzen des elektrodynamischen Wandlerkopfs auf ein Werkstück, insbesondere ein Rohr erfolgen kann und diese zueinander eine Relativbewegung beschreiben, ohne daß eine Zerstörung der Erregerund Empfangsspule erfolgt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abdeckung eine zur Erreger- und Empfangsspule beabstandete Schutzkappe ist, die von einem Schutzring oder Abschnitten eines Schutzringes zumindest teilweise umgeben ist, dessen dem Werkstück zugewandte

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Stirnfläche über der der Schutzkappe vorsteht. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag wird die Stirnfläche des inneren die Erreger- und Empfangsspule des elektrodynamischen Wandlerkopfs umfassenden Poles des Elektromagneten mit einer Schutzkappe gegen Zerstörung gesichert, wobei diese vorzugsweise aus Metall mit nitrierter Oberfläche besteht und radial verlaufende Schlitze aufweist, um so eine Wirbelstromausbildung zu unterbinden. Dabei ist die Schutzkappe selbst gegenüber einem unmittelbaren Kontakt mit der Oberfläche eines zu überprüfenden Werkstücks vorzugsweise in Form eines Rohres durch einen die Kappe aufnehmenden Schutzring geschützt, der als Schutzgleitring bezeichnet werden kann und aus Vollhartmetall der Qualität GlO bestehen kann. Dieser Schutzgleitring ist seinerseits auf ein den inneren Polschuh im Kopfbereich teilweise umgebendes zylinderförmiges Element gelötet, das seinerseits auf einen Aufnahmering schraubbar ist, der von der Seitenwandung des inneren Polschuhs ausgeht.

Die Schutzkappe selbst, die die Form eines Kegelstumpfs aufweist und einen unteren umlaufenden parallel zu der Stirnfläche verlaufenden Rand aufweist, liegt polschuhseitig auf einem vorzugsweise aus Hartgewebe-Epoxydharzgemisch bestehenden Kappenträger auf, der an der Seitenwandung des konusförmig ausgebildeten Kopfabschnitts des inneren Polschuhs anliegt. Die Schutzkappe wird demzufolge zwischen Abschnitten des Schutzringes und dem Kappenträger festgelegt, wobei zwischen der Unterseite des Schutzringes und dem umlaufenden Rand der Schutzkappe eine Dichtung in Form eines O-Rings angeordnet sein kann.

Damit die Meßergebnisse durch das Anordnen der Schutzkappe vor der Erreger- und Empfangsspule nicht negativ beeinflußt werden, ist die Schutzkappe hinsichtlich der Materialstärke gering zu halten. Vorzugsweise liegt die Materialstärke einer Schutzkappe mit einem Durchmesser von ca. 20 - 30 mm im Bereich zwischen 0,3 und 0,5 mm, wobei sich die Stärke von 0,4 mm besonders bewährt hat. Die in der Schutzkappe eingelassenen radial verlaufenden Schlitze sollten selbst

eine Breite aufweisen, die geringer als die Stärke des Schutzkappenmaterials ist. Die Breite sollte zwischen 0,2 und 0,4 mm liegen, wobei ein Wert von 0,3 mm zu erwähnen ist. Auch sollten die Schlitze vorzugsweise im Abstand zum Mittelpunkt der Schutzkappe in einem Umfang enden, daß die Stabilität der Schutzkappe nicht beeinflußt wird.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem der Zeichnung zu entnehmenden Ausführungsbeispiel, ohne daß hierin eine Einschränkung der erfindungsgemäßen Lehre zu sehen ist.

Es zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt eines elektrodynamischen Wandlerkopfs,

Fig. 2 eine Draufsicht einer im Wandlerkopf nach Fig. 1 vorgesehenen Schutzkappe.

Der in Fig.' 1 im Ausschnitt dargestellte elektrodynamische Wandlerkopf umfaßt einen Elektromagneten, der ein Magentjoch mit einem nicht dargestellten Außenpolschuh und einen von diesem umgebenen inneren Polschuh 10 umfaßt. Der innere Polschuh, der auf ein Werkstück 12 in Form eines Rohres ausgerichtet ist, weist einen zum Werkstück 12 hin verjüngten Endabschnitt 14 auf, der radial verlaufende Schlitze 15 aufweist, in die gegebenenfalls nicht dargestellte isolierte Transformatorbleche eingebracht werden können. Eine entsprechende Ausgestaltung des Polschuhkopfs 14 stellt sicher, daß in diesem eine Wirbelstromausbildung unterbunden wird, wodurch die Meßergebnisse verfälscht werden könnten. Auf der Stirnseite des Polschuhkopfs 14 befinden sich Erreger- und Empfangsspulen 16 und 18, die für die elektrodynamische Anregung erforderlich sind. (Die elektrodynamische Erzeugung von Ultraschall in elektrisch leitfähigen

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Medien beruht bekanntlich auf der Wechselwirkung von Wirbelströmen mit statischen Magnetfeldern, wodurch eine Teilchenbewegung im Werkstück, also die Ultraschallwellen, erzeugt werden. Dabei wird das erforderliche Magnetfeld vorzugsweise durch einen Elektromagneten über eine gewünschte Polschuhkonfiguration erzeugt. Durch in den Drähten der Erregerspule geführte Hochfrequenzströme werden Wirbelströme im Werkstück erzeugt, deren Einprägtiefe von der verwendeten Frequenz abhängig ist.)

Um den Prüfkopf im Bereich des inneren Polschuhs 14 unmittelbar auf das Werkstück 12 aufsetzen zu können, ohne daß bei einer Relativbewegung zwischen diesen eine Beschädigung der Erreger- und Empfangsspule 16 bzw. 18 erfolgt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Stirnfläche des Polschuhs 10 mit einer Schutzkappe 20 zu versehen, die sich über die gesamte Stirnfläche 23 erstreckt. Da diese Schutzkappe sehr dünn gewählt werden muß, um die Meßsignale nicht zu verfälschen, wird die Schutzkappe 20 selbst von einem Schutzring 22 umfaßt, dessen dem Werkstück 12 zugewandte Stirnfläche 24 über der Oberfläche der Schutzkappe 20 vorsteht. Gelangt demzufolge ein die entsprechende Abdeckung aufweisender Prüfkopf auf das Werkstück 12 zu liegen, so ist sichergestellt,· daß ein Berühren der Schutzkappe 20 durch das Werkstück 12 nicht erfolgt. Vielmehr tritt der Schutzring 22 mit der häufig mit Zunderstaub versehenen Oberfläche des Werkstücks 12 in Wechselwirkung, die einen Schmirgelpapiereffekt hervorruft. Da jedoch der Schutzring 22, der zutreffenderweise mit Schutzgleitring zu bezeichnen ist, aus einem Vollhartmetallmaterial z. B. der Klasse G 10 besteht, ist sichergestellt, daß die Schutzkappe 20 normalerweise unbeschädigt bleibt.

Wie der Fig. 1 ebenfalls zu entnehmen ist, ist die Schutzkappe 20, die aus einem hochverschleißfestem Metall besteht, auf einem Kappenträger 26 abgestützt, der seinerseits der Seitenwandung des konisch ausgebildeten Innenpolschuhkopfs 14 anliegt. Der Kappenträger 26 besteht dabei vorzugsweise aus Hochgewebe-Epoxydharzgemisch. Dabei

ist die Geometrie der Außenfläche des Kappenträgers 26 der Geometrie der Schutzkappe 22 außerhalb des Stirnbereichs des Polschuhs 14 angepaßt. Vorzugsweise weist dabei die Schutzkappe 20 die Form eines Kegelstumpfabschnittes auf, dessen unterer umlaufender Rand 34 nach außen abgewinkelt ist.

Eine Draufsicht der vorzugsweise aus Stahl bestehenden Kappe 20 ist der Fig. 2 zu entnehmen. Die Kappe 20 weist radial verlaufende zum Mittelpunkt hin beabstandete Schlitze 28 auf, die sicherstellen, daß sich in der aus Metall bestehenden Schutzkappe 20 keine Wirbelströme ausbilden können. Auch erkennt man, daß die Kappe aus drei Abschnitten besteht, nämlich der die Schlitze 28 aufweisenden Stirnfläche 30, der schräg nach außen verlaufenden Seitenfläche 32 sowie der umlaufenden Randfläche 34, deren Ebene parallel zu der der Stirnfläche 30 angeordnet ist. Die Randfläche 34 ist nun zwischen der Unterseite des Schutzgleitrings 22 und dem Kappenträger 26 angeordnet, wobei zwischen der Randfläche 30 und dem Aufnahmegleitring 24 eine O-Ringdichtung 36 vorgesehen sein kann. Eine entsprechend ausgebildete Schutzkappe 20 kann folgende Abmessungen aufweisen: Durchmesser der Stirnfläche 30 in etwa 21 mm, Durchmesser der Unterseite im Bereich der Randfläche 34 in etwa 29 mm, Stärke des Materials im Bereich der Stirnfläche 30 in etwa 0,4 mm und Höhe der Schutzkappe in etwa 4 mm.

Der Schutzgleitring 22 ist auf ein eine Zylinderform aufweisendes Ringelement 38 gelötet, das seinerseits auf einen Aufnahmering 40 geschraubt werden kann, welcher von der Oberfläche des Polschuhs 10 ausgeht. Zusätzlich kann die Außenfläche des zylinderförmigen Ringelements 38 von einer nicht dargestellten umlaufenden Sicherungspratze festgelegt werden, die ihrerseits über Schraubverbindungen mit dem Elektromagneten lösbar verbunden ist.

Durch die erfindungsgemäße Abdeckung des die Erreger- und Empfangsspule 16, Iß aufweisenden Polschuhs 10 ist sichergestellt, daß gefahrlos. ein Entlanggleiten auf der Oberfläche des zu überprüfenden

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Werkstücks 12 erfolgen kann. Dabei kann die Abschirmung im Bereich der Spulen 16, 18 sehr dünn gewählt werden, da die die Stirnfläche 23 des Polschuhs 14 abdeckende Schutzkappe 20 seinerseits von einem vorstehenden Schutzgleitring 22 umgeben Ist.
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Claims

Patentansprüche;

I. j Elektrodynamischer Wandlerkopf zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken mittels Ultraschall mit vorzugsweise einem Elektromagneten, der ein Magnetjoch mit äußerem Polschuh und einem von diesem umgebenen vorzugsweise sich in Richtung des Werkstücks hin konisch verjüngenden inneren Polschuh aufweist, im Bereich dessen freier dem Werkstück zugewandter Stirnfläche Erreger- und Empfangsspulen angeordnet sind, die ihrerseits zumindest auf der dem Werkstück zugewandten Seite eine Ab

deckung aufweisen,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Abdeckung eine zur Erreger- und Empfangsspule (16, 18) beabstandete Schutzkappe (20) ist, die von einem Schutzring (22) oder Abschnitten eines Schutzrings zumindest teilweise umgeben ist, dessen dem Werkstück (12) zugewandte Stirnfläche über der der Schutzkappe vorsteht.
2. Wandlerkopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Schutzkappe (20) aus Metall mit vorzugsweise nitrierter Oberfläche besteht und radial verlaufende Schlitze (28) aufweist.
3. Wandlerkopf nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Stärke des Schutzkappenmaterials im Bereich oberhalb der Stirnfläche (22) des inneren Polschuhs (10, 16) im Bereich zwischen 0,3 und 0,5 mm liegt.
4. Wandlerkopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Schutzkappe (18) die Form eines Kegelstumpfs mit nach außen abgewinkeltem parallel zur Stirnfläche verlaufenden unteren Rand (34) aufweist und außerhalb der Stirnfläche (23) des inneren Polschuhs (10, 16) auf einem Kappenträger (26) aufliegt, der seinerseits an dem inneren Polschuh (14) abstützbar ist.
5. Wandlerkopf nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Kappenträger (26) aus einem Hartgewebe-Epoxydharzmaterial besteht.
6. Wandlerkopf nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Schutzring (22) aus einem dem Werkstück (12) zugewandten Hartmetallring und einem hohlzylinderförmigen koaxial den inneren Polschuh ■ (14) umgebenden Element (38) besteht, das seinerseits seitlich den Kappenträger (26) umgibt.
7. Wandlerkopf nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Hartmetallring (22) auf das hohlzylinderförmige Element (38) gelötet ist.
8. Wandlerkopf nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß das hohlzylinderförmige Element (38) lösbar mit einem Aufnahmering (40) verbunden ist, der von der Außenfläche des inneren Polschuhs (10, 16) ausgeht.