-
Prüfgerät zum Untersuchen elektrisch leitender Prüfteile
-
Die Erfindung betrifft ein Prüfgerät zum Untersuchen elektrisch leitender
Prüfteile durch Wirbelströme, mit einer Geberanordnung zum Erregen von Wirbel strömen
im Prüfteil und zum Empfangen von Signalen, die aufgrund von Rückwirkung dieser
Wirbel ströme entstehen, bestehend aus mindestens einer Erreger- und einer Empfängerwicklung
oder aus mindestens einer Erreger- und Empfangerfunktion gleichermaßen ausübenden
Erreger/Empfänger-Wicklung sowie aus mindestens einer Wicklung, in der ein vom Erregerwechselstrom
in der Phasenlage abweichender Wechselstrom fließt, mit einer Speiseanordnung zum
Speisen der Geberanordnung mit einem Erregerwechselstrom einer Frequenz f und mit
Mitteln zum Weiterverarbeiten und Auswerten der empfangenen Signale.
-
Ein derartiges Prüfgerät ist bekannt aus US-PS 3 197 693. Es besitzt
neben einer Erreger/Empfänger-Spule eine koaxial und koplanar mit der letzteren
angeordneten Kompensationsspule. Während die Erreger/Empfänger-Spule in der gewohnten
Weise aus einem Leistungsverstärker mit dem Erregerwechselstrom gespeist wird, erhält
die Kompensationsspule ihren Erregerstrom aus einem zusätzlichen Leistungsverstarker,
der über ein Phasendrehglied von einem den beiden Leistungsverstärkern gemeinsamen
Oszillator gesteuert wird.
-
Ein altbekanntes Problem bei der Wirbelstromprüfung besteht darin,
daß nicht nur die zu untersuchenden Werkstoffeigenschaften, etwa Unregelmäßigkeiten
wie Risse, Einschlüsse, Löcher oder dergleichen eine Signalspannung in einem Geber
hervorrufen. Insbesondere bei der Prüfung mit Tastspulgebern bewirkt
jede
Anderung des Abstandes zwischen Geber und Prüfteil eine Signalspannung, deren Amplitude
in der gleichen Größenordnung wie bei den gesuchten Werkstoffeigenschaften liegen
kann. Das gleiche gilt für Unebenheiten der Prüfteiloberfläche, wie sie z. B. in
der Form von Oszillationsmarken bei stranggegossenen Brammen vorliegen. Man unterdrückt
die unerwünschten Störsignale meist in der Weise, daß man nur solche Signalkomponenten
auswertet, die auf den Störsignalen senkrecht stehen. Dies ist einfach durchführbar,
wenn man am Bildschirm eines Kathodenstrahloszillographen die Bahn verfolgen kann,
die die Spitze des Signalspannungsvektors in der komplexen Ebene durchführt, während
der Geber sich relativ zum Prüfteil bewegt. Ein auf Abstandsänderungen beruhendes
Störsignal läßt sich leicht realisieren, indem man den Geber senkrecht zur Prüfteiloberfläche
bewegt. Mit Hilfe eines Phasenschiebers kann man anschließend die Phasenlage des
Prüfsignales so verändern, daß die am Bildschirm sichtbare Signalbahn des Störsignales
weitgehend in der Horizontalen verläuft. Die gewünschte Störunterdrückung ergibt
sich dadurch, daß man in der Folge nur die vertikale Komponente des Prüfsignals
auswertet. Obwohl man auf diese Weise in vielen Fällen ausreichende Ergebnisse erzielen
kann, stößt man doch auch recht häufig an die Grenzen dieses Verfahrens, nämlich
immer dann, wenn entweder die Signalbahn des Störsignals stark gekrümmt ist, oder
wenn die Signal bahnen von Stör- und Nutzsignal einen zu kleinen Winkel einschließen,
praktisch den gleichen Verlauf nehmen.
-
Geber mit Kompensationsspulen, die in einer abweichenden Phasenlage
erregt sind, eignen sich, hier Abhilfe zu schaffen. Durch geeignete Wahl von Phase
und Amplitude des Erregerstromes in einer oder mehreren Kompensationsspulen gelingt
es, den gekrümmten Verlauf der Signal bahn eines Störsignales zu begradigen oder
auch den Winkel zwischen den Signal bahnen von Stör- und Nutzsignal zu vergrößern.
-
Von Nachteil ist jedoch dabei, daß ein Mehraufwand in Kauf genommen
werden muß, nämlich ein zusätzlicher Leistungsverstärker und ein Phasenschieber.
Ein anderes Problem erwächst daraus, daß die mehrphasige Erregung des Gebers über
das Zuleitungskabel des Gebers erfolgen muß. Hier kann es durch gegenseitiges Obersprechen
zu unerwünschten störenden Beeinflussungen kommen, zumal dann, wenn ein längeres
Zuleitungskabel erforderlich ist. Die Erfindung macht sich daher
zur
Aufgabe, eine einfache ldöglichkeit zur mehrphasigen Erregung von Wirbelstromgebern
zu verwirklichen, bei der die genannten Nachteile entfallen. Die Aufgabe wird gelöst
durch ein Prüfgerät der eirigangs beschriebenen Gattung, das gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet
ist.
-
Nach der erfindungsgemäßen Lösung entfallen Leistungsverstärker und
Phasenschieber ganz, ohne daß mehr als ein so einfaches Schaltelement wie ein Kondensator
an ihre Stelle treten müßte. Da über das Zuleitungskabel nur eine einphasige Erregung
erfolgen muß, brauchen auch keinerlei Maßnahmen gegen ein übersprechen durchgeführt
zu werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ermöglicht auf einfache
Weise, daß die Phasenlage des Erregerstromes der Kompensationsspule des Gebers durch
ein Gleichstromsignal gesteuert werden kann. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung
macht die selbsttätige Anpassung der Erregung der Kompensationsspule an eine geänderte
Frequenz f des Erregerstromes möglich. Eine andere Ausgestaltung bewirkt die selbsttätige
Anpassung der Erregung der Kompensationsspule an abweichende Grundabstände zwischen
Geber und Prüfteiloberfläche. Noch weitere Ausgestaltunyen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen enthalten.
-
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Figuren und durch Anwendungsbeispiele
ausführlich beschrieben werden.
-
Es zeigen im einzelnen: Figur 1 eine Geberanordnung Figur 2 Signalverläufe,
graphisch dargestellt Figur 3 ein erfindungsgemäßes Prüfgerät Figur 4 ein solches
mit steuerbarer Kapazität Figur 5 ein solches mit Steuerung nach der Frequenz Figur
6 ein solches mit Steuerung nach dem Abstand In Figur 1 ist in schematischer Darstellung
eine Geberanordnung 10 über der Ober fläche eines Prüfteils 12, z. B. einer Bramme,
wiedergegeben. Mit Hiife der Gebe anordnung, die zu diesem Zweck in einem mittleren
Abstand s über die Oberfläche der Bramme geführt wird, sollen Fehler in der letzteren
wie etwa ein Riss 14 ermittelt werden. Die Geberanordnung besitzt eine Erregerspule
16, die mit einem
VJechselstrom 1E der Frequenz f erregt wird, und
eine zur Erregerspule 16 koaxiale Empfängerspule 18, an deren Anschlüssen die Signal
spannung US abgenommen wird. Zur Geberanordnung 10 gehört ferner eine Kompensationsspule
20, die ebenfalls koaxial zur Erregerspule 16 und koplanar mit ihr angeordnet ist,
jedoch einen grc.ßeren Durchmesser aufweist.
-
In Figur 2 sind die Kurven dargestellt, auf denen sich die Spitzen
der Vektoren der Signalspannung U5 bewegen, wenn die Geberanordnung 10 über die
Oberfläche der Bramme 12 geführt wird. Dabei sollen zunächst die Anschlüsse der
Kompensationsspule 20 offen sein, sodaß in ihr kein Strom fließen kann. Kurve 22
nach Figur 2 a beschreibt den Verlauf der Signalbahn beim Oberlaufen des Risses
14 mit einer Tiefe von 1 mm. Kurve 24 zeigt den Verlauf der Signalbahn beim Oberlaufen
einer Oszillationsmarke 26, einer flachen Oberflächenunebenheit, die im Verlauf
des Produktionsprozesses der Bramme aufgrund der Oberfiachenoszillation während
des Erstarrens des Gießstranges entstanden ist. Die vorliegende Oszillationsmarke
26 soll ebenfalls eine Tiefe von etwa 1 mm aufweisen. Wegen der stark gekrümmten
Bereiche 28 der Kurve 24 lassen sich die ihr zugrunde liegenden Störsignale nicht
in der gewohnten Weise unterdrücken. Auch wenn in der bekannten Weise nur die y-Koniponente
der Signale ausgewertet wird, erreicht die Störsignalkomponente noch etwa die Hälfte
der Nutzsignalkomponente. Läßt man in der Konipensationsspule 20 einen vom Erregerwechselstrom
IE in der Phasenlage abweichenden Wechselstrom 1K fließen, so kann man damit den
Verlauf der Signalbahnen von Stör- und Nutzsignal in unterschiedlicher Weise beeinflussen.
Im vorliegenden Beispiel wurden durch eine entsprechende Bemessung von Amplitude
und Phase des Kompensationsstromes IK' wie in Verbindung mit Figur 3 noch näher
erläutert wird, Verläufe gemäß Figur 2 b erzielt. Dabei gibt Kurve 30 den beim Oberlaufen
des
Risses 14, Kurve 32 den beim Oberlaufen der Oszillationsmarke 26 entstehenden Verlauf
wieder. Wie ohne weiteres erkennbar, läßt sich jetzt das sich entlang Kurve 32 bewegende
Störsignal fast vollständig unterdrticken, indem man nur die y-Komponente der Signalspannung
auswertet.
-
Figur 3 zeigt, auf welche verblüffend einfache Weise die Kompensation
gemä,3 Figur 2 b zustande gebracht wird. Erregerspule 16 der Geberanordnung 10 wird
auf herkömmliche Art von einem Leistungsverstärker 34 gespeist, der von einer Wechselspannungsquelle
36 ausgesteuert wird. In bekannter Art wird auch die Signalspannung US in einer
Signalverarbeitungseinheit 38 aufbereitet und in einer Auswerteeinheit 40 ausgewertet.
Eine in der Signalverarbeitungseinheit 38 enthaltene phasenselektive Gleichrichtung
erhält ihr Referenzsignal über eine Steuerleitung 37. Die genannten Baugruppen 34
- 40 sind in einen Steuergerät 42 zusammengefaßt. Den Kompensationswechselstrom
1K in der geeigneten Phasenlage erhält zu t man durch Induktion des Erreyerwechselstromes
IE, indem man die Anschlußklemmen der Kompensationsspule 20 mit einem entsprechend
dimensionierten Kondensator 44 der Kapazität CK beschaltet. Dieser ist unmittelbar
in der Geberanordnung 10 angebracht, so daß der Kompensationswechselstrom 1K das
Zuleitungskabel 46 zwischen Geberanordnung 10 und Steuergerät 42 nicht zu benutzen
braucht. Auf diese Weise wird auch vermieden, daß die Kabel kapazität sich zur Kapazität
CK addiert und die Phasenlage des Kompensationswechselstromes 1K beeinflußt.
-
Wie im folgenden noch deutlich gemacht wird, gibt es Fälle, wo es
wünschenswert erscheint, den Kompensationswechselstrom IE in seiner Phasenlage veränderlich
zu haben, um diese verschiedenen Gegebenheiten anpassen zu können. Im einfachsten
Fall kann diesem Wunsch mit einem Prüfgerät gemäß Figur 4 Rechnung getragen werden.
Die Geberanordnung 50 stimmt weitgehend mit der Anordnung 10 überein, so daß insoweit
die gleichen Bezugszahlen benutzt werden können und eine Beschreibung eingespart
werden kann. Statt des Kondensators 44 schließt ein Paar von gegeneinander geschaltetet
Kapazitätsdioden 52 die Kompensationswicklung 20 ab. Die letztere liegt mit einem
Anschluß an Masse, so daß die Kapazität
CK der Kapazitätsdioden
52 durch eine an deren Verbindungsstelle 54 gelegte Gleichspannung Ust gesteuert;werden
kann. Auch hcim-Steuergerät 56 sind die Baugruppen, die mit denen des Steuergerätes.42
übereinstimmen, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, so daß eine entsprechende
Beschreibung entfallen kann. Neu hinzugekommen ist beim Steuergerät 56 eine- Steuereinheit
-58, in der die jeweils benötigte Steuerspannung Ust.eingestellt werden kann. Das
Verbindungskabel 60 zwischen Geberanordnung 50 und Steuergerät 56 enthält eine tuzusätzliche
Gleichstroinleitung.
-
Gelegentlich kann es vorkommen, daß die gewünschte Wirkung sich mit
nur einer Kompensationsspule nicht erreichen läßt. In solchen Fällen kommt man jedoch
gewöhnlich mit einer oder mehreren zusätzlichen Kompensationsspulen zum Ziel.
-
Bei den bisher behandelten Geberanordnunyen handelte es sich ausschließlich
um Absolutwertgeber. Das bei diesen auftretende Problem der stark gekrümmten Störsignalverläufe
läßt sich wie gezeigt mit Hilfe der mchrphasiycn Erregung zufriedenstellend lösen.
Bei Geberanordnungen mit Differenzwertbfldung tritt ein anderes Problem in den Vordergrund.
Oft verläuft hier zwar die Bahn eines Störsignales innerhalb gewisser Grenzen linear,
jedoch erweist sich derWinkel zwischen den Verläufen von Störsignal und Nutzsignal
als nicht ausreichend groß, um gute Trennung zwischen Nutz- und Störsignalen zu
gewährleisten. An zwei in Differenz geschalteten, der Prüfteiloberfläche in gleichem
Abstand gegenüberstehende, im wesentlichen gleich aufgebauten Spulen ergibt sich
beim gleichförmigen Abheben von der Prüfteiloberfläche ein Störsignal, datum Größenordnunyen
unter dei eines in gleicher Weise abgehobenen Absolutwertgebers liegt.
-
Abstandsgradienten, die beim überlaufen von flachen Oberflächenunebenheiten
auftreten, etwa den zuvor genannten Oszillationsmarken, wer.den von Differenzspulenanordnungen
nur ungenügend unterdrückt. Leider fallen die sich bei ihnen ergebenden Störsignale
fast in die gleiche Richtung wie die Nutzsignale. Erfreulicherweise lassen sich
auch hier gute Ergebnisse mit der mehrphasigen Erregung erzielen. Es gelingt nämlich
bei optimaler Dimensionierung der Kapazität CK an den Klemmen der Koinpensationsspule
20, zwischen den Verläufen von Stör-und Nutzsignalen hinreichende Winkel abstände
herzustellen, die eine gute Trennung von Stör- und Nutzsignalen in einer nachfolgenden
Komponentenauswertung möglich nachen. Allerdings trifft dies nur für jeweils eine
bestimmte Prüffrequenz
zu. Kommen in ciiicn Prüfgerät verschiedene
Prüffrequenzen zum Einsatz, etwa weil verschiedene Fehlerspezifikationen vorliegen,
so wird für jede Prüffrequenz eine andere Kapazität CK erforderlich.
-
Figur 5 zeigt, wie ein für diesen Fall geeignetes Prüfgerät aussieht.
In der Geberanordnung 62 sind zwei elektrisch gegeneinander geschaltete Differenzspulen
64 mit der Erregerspule 16 und der Kompensationsspule 20 gekoppelt.
-
Die Erregerspule 16 wird von einem Leistungsverstärker 34 gespeist,
der von einer Wechselspannungsquelle 36 ausgesteuert wird. An den Klemmen der Kompensationsspule
20 liegt wie weiter oben im Zusammenhang mit Figur 4 beschrieben ein Paar von Kapazitätsdioden
52. Von der Frequenz f der Wechselspannungsquelle 36 wird in einer Stelleinheit
66 ein Signal abqclcitet, das zum Einstellen der Steuerspannung U5T auf den erforderlichen
Wert dient. Die Ablcitung dieses Signales erfolgt in der Weise, daß sich stets ein
optimaler Winkel zwischen den Verläufen von Stör- und Nutzsignal ergibt. Die Signale
aus de Diff(?renzspulen 64 werden in einer Signalverarbeitungseinheit 68 aufbereitet
und in einer Auswertet einheit 70 ausgewertet. Eine in der Signalverarbeitungseinheit
68 enthaltene phasenselektive Gleichrichtung erhält über eine Steuerleitung 37 das
notwendige Referenzsignal. Statt in Differenz können die beiden Spulen 64 auch mit
Bauelementen innerhalb der Signalverarbeitungseinheit 68 zu einer Brücke geschaltet
sein.
-
In diesem-Fall entfollt die Erregerspule 16 und der Leistungsverstärker
34 speist statt der Erregerspule 16 die Brückenschaltung in der Signalverarbeitungseinheit
68.
-
Eine weitere Problematik kann sich daraus ergeben, daß der für einen
optimalen Winkel zwischen den Verläufen von Stör- und Nutzsignal erforderliche Wert
der Kapazität CK streng nur für einen bestimmten Grundabstand s zwischen Prüfteiloberfläche
und Geberanordnung gilt. Ändert sich s in sl, so ändert sich auch der genannte Winkel
oder anders gesagt, so ändert sich auch der erforderliche Wert CK für einen optimalen
Winkel zwischen den Verläufen von Stör- und Nutzsignal. Steuert man CK soweit nach,
daß sich für den geänderten Abstand sl wieder der gewünschte optimale Winkel einstellt,
so hat sich auch die Grundphasenlage der Signal spannung geändert, d. h. die Phasenlage
der Signal spannung gegenüber dern Erregersignal.
-
Ein Prüfgerät, bei dem diese Zusammenhänge berücksichtigt sind, ist
in Figur 6 tiargestellt. Geberanordnung 72 entspricht weitgehend der Anordnung 62
nach Figur 5. Sie enthält lediglich zusätzlich einen Abstandsgeber 74, der in Verbindung
mit einer Meßeinheit 76 ein dem Abstand s proportionales Signal UA erzeugt.
-
Die Fierstellung des Erregerstromes IE zum Speisen der Erregerspule
16 erfolgt wie oben angegeben mit Hilfe einer Wechselspannungsquelle 36 und einem
Leistungsverstärker 34. Die Prüfsignale aus den Differenzspulen 64 werden in einer
Signalverarbeitungseinheit 68 aufbereitet. Eine in der letzteren enthaltene phasensel
ekti ve Gleichrichtung erhält ihre Referenzspannung über eine Leitung 37 von der
Wechselspannungsquelle 36. In einer Stelleinheit 78 wird in Abhängigkeit von Abstandssignal
UA eine Steuerspannung Ust erzeugt, die innerhalb des interessierenden Abstandsbereiches
die Kapazität CK der Kapazitätsdioden 52 so verändert, daß stets der optimale Winkel
zwischen den Verläufen von Stör-und Nutzspannung erhalten bleibt. Eine weitere Stelleinheit
80 erzeugt in Abhallgigkeit von Abstandssignal UA Steuersignale, die mit Hilfe eines
Phasenstellyliedes 82 und eines Alllplitudenstellgliedes 84 die Grundphasenlage
und die Amplitude der aufbereiteten Signalspannung aus Signalverarbeitungseinheit
68 unabhängig vom jeweiligen Abstand s auf einem konstanten Wert halten. Hierfür
können u. a. digitale Schaltmittel verwendet werden, wie sie in der deutschen Patentanmeldung
P 3313820.6 beschrieben sind. Für die Auswertung der Signalspannung wird eine Auswerteeinheit
86 benutzt.