DE3439061A1

DE3439061A1 - Magnetoinductive measuring system for determining the surface state of metal parts

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Publication number: DE3439061A1
Application number: DE19843439061
Authority: DE
Inventors: Lothar DDR 2600 Güstrow Arscholl; Hartmut Dr.rer.nat. Ewald; Friedrich Prof. Dr.sc. Lorenz
Original assignee: GUESTROW PAEDAGOG HOCHSCHULE
Current assignee: GUESTROW PAEDAGOG HOCHSCHULE
Priority date: 1983-11-01
Filing date: 1984-10-25
Publication date: 1985-08-14

Abstract

A magnetoinductive measuring system which comprises a sensor and circuitry permits non-destructive determination of the surface state of coated or uncoated metal parts. Depending on the state of the magnetic circuit of the sensor and the choice of frequency, typical changes in the resonant-circuit parameters formed by the sensor and a capacitor arise in each case, so that a statement can be made regarding sometimes very different parameters which characterise the state of metallic surfaces or detect state changes. The measured data obtained permit inferences from the state of the surface to the state of the metal part as a whole.

Description

1. Titel der Erfindung1. Title of the invention

Kagnetinduktive Meßanordnung zur bestimmung des Oberflächenzustandes von Metallteilen 2. Anwendung der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung, die ein zerstörungsfrei es Bestimmen des Oberflächenzustandes beachichteter und unbeschichteter Metallteile bzw. der Veränderung des Oberflächenzustandes gegenüber einem Ausgangszustand gestattet.Magnetic inductive measuring arrangement to determine the surface condition of metal parts 2. Application of the invention The invention relates to a measuring arrangement, which a non-destructive determination of the surface condition is observed and uncoated metal parts or the change in the surface condition allowed to an initial state.

3. Charakteristik der bekannten Lösungen Bekannt geworden sind eine Vielzahl von Geräten, die zum Zweck der Qualitätskontrolle und der Überwachung des Oberflächensustandes von Metallteilen in Fertigungsabläufen eingesetzt werden und Veränderungen bzw. Abweichungen von einem vorgegebenen oder angestrebten Wert anzeigen. Diese Meßgeräte unterscheiden sich hinsichtlich des physikalischen Wirkprinzips und der technischen Lösung. Mechanische, elektrische, magnetische und optische Meßanordnungen gestatten Aussagen über den Zustand von Metalloberflächen und lassen z. T. Schltisse auf den Zustand und die Beschaffenheit des untersuchten Teiles zu. Bei hoher Xeßgenauigkeit bestimmen sie in der Regel den Absolutwert des Oberflächenzustandes, wöbeider-itaufiandt für das Auswerten der erhaltenen Meßinformation relativ groß ist. Die Eingliederung in technologische Ketten, etwa zum Zweck der Qualitätskontrolle bei der Einhaltung vorgegebener technologischer Parameter, gestaltet sich deshalb schwierig.3. Characteristics of the known solutions One has become known Variety of devices used for quality control and monitoring of the Surface condition of metal parts are used in production processes and Show changes or deviations from a specified or desired value. These measuring devices differ with regard to the physical operating principle and the technical solution. Mechanical, electrical, magnetic and optical measuring arrangements allow statements about the condition of metal surfaces and allow e.g. T. Schltisse on the condition and nature of the examined part. With high measurement accuracy they usually determine the absolute value of the surface condition, wöbeider-itaufiandt is relatively large for evaluating the measurement information obtained. The inclusion in technological chains, for example for the purpose of quality control in compliance given technological parameters, is therefore difficult.

Bei den elektrisch-kapszitiven Verfahren wird eine flächenförmige Meßelektrode zum Zweck der Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit auf die Metalloberfläche aufgesetzt, um die Glättungstiefe zu ermitteln. Bei bekannter Dicke und Art des Dielektrikums kann dann aus der Kapazität auf die wirksame Oberfläche und damit auf die Rauhigkeit geschlossen werden. Der Abstandse££ekt beeinflußt das Ergebnis wesentlich.In the case of the electrical encapsulation process, a sheet-like one is used Measuring electrode for the purpose of determining the surface roughness on the metal surface attached to determine the smoothing depth. If the thickness and type of the Dielectric can then be transferred from the capacitance to the effective surface and thus can be concluded on the roughness. The spacing effect influences the result essential.

Bei den elektrischen Wirbelstromverfahren wird tiber die Änderung der Impedanz einer auf die zu untersuchende Metalloberfläche aufgesetzten Spule eine Aussage tiber den Zustand erhalten. Nach erfolgter Kalibrierung kann aus der jeweils typischen Änderung des Real- und Imaginärteiles auf den Oberflächenzustand geschlossen werden. Der Abstand zwischen Spule und Metalloberfläche geht in das Meßergebnis ein, so daß signifikante Aussagen bei beschichteten Metallteilen kaum möglich sind, denn Oberflächenrauhigkeit und Abstand der Spule von der Oberfläche überdecken sioh in den Meßeffekten.In the case of the electrical eddy current method, the change the impedance of a coil placed on the metal surface to be examined receive a statement about the state. After calibration has been carried out, the each typical change of the real and imaginary part on the surface condition getting closed. The distance between the coil and the metal surface goes into that Measurement result, so that no significant statements can be made for coated metal parts are possible because of the surface roughness and the distance between the coil and the surface cover them up in the measurement effects.

Bei der Untersuchung des Oberflächenzustandes beschichteter Metallteile bezüglich der an der Phasengrenze zwischen Metall und Schutzschicht auftretenden Korrosion interesaiert einerseite der Grad der eingetretenen Unterrostung, andererseits die daraus ableitbare Schutzwirkung der Schicht. Bei pigmentierten Schichten sind derartige Untersuchungen nur bei Ablösung der Schicht, d, h. duroh ihre mechanische Zerstbrung möglich. Die technologisch bedingten Schwankungen der Sohichtdicke wirken tiber den Abstandseffekt auf das Ergebnis ein, Ein Verfahren, das relativ unabhängig vom Abstandseffekt den Oberflächenzustand beschichteter Metallteile erfaßt, ist nicht bekannt.When examining the surface condition of coated metal parts with regard to those occurring at the phase boundary between metal and protective layer On the one hand, corrosion is interested in the degree of under-rusting that has occurred, on the other hand the protective effect of the layer that can be derived from this. With pigmented layers are such examinations only when the layer is detached, i. e. duroh your mechanical Destruction possible. The technologically induced fluctuations in the layer thickness have an effect on the distance effect on the result, a process that is relatively independent the surface condition of coated metal parts is recorded by the spacing effect not known.

4. Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, mit Hilfe einer Meßanordnung, die aus einem magnetinduktiven Sensor und einer nachfolgenden Meßschaltung besteht, den Oberflächenzustand beschichteter Metallteile zu ermitteln, wobei nicht der Absolutwert, sondern ein auf einen vorgegebenen Wert bezogener Relativwert interessiert. Sensor und Meßanordnung sind so beschaffen, daß durch die Auswertung der Meßinformation ein Schluß vom Zustand der Oberfläche auf den Zustand der Metallteile selbst gezogen werden kann.4. Object of the invention The object of the invention is, with the aid of a measuring arrangement, which consists of a magnetic inductive sensor and a subsequent measuring circuit, the surface condition of coated Identify metal parts, where not the absolute value, but a relative value related to a given value Interested. Sensor and measuring arrangement are designed in such a way that the evaluation the measurement information draws a conclusion from the condition of the surface to the condition of the metal parts can be drawn by yourself.

5. DarleRung des Webens der Erfindung 5.1. Die technische Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus der Impedanzänderung des magnetinduktiven Sensors, die beim Aufsetzen oder beim Hinwegführen über die Metalloberfläche eintritt, Aussagen über den Zustand bzw. über Änderungen gegenüber einem Ausgangßzustand zu erhalten, in dem die dem Sensor nachgeschaltete Meßanordnung die Impedanzänderung erfaßt und auswertet.5. Loan the weaving of the invention 5.1. The technical task The invention is based on the object of changing the impedance of the magnetic inductive Sensors that enter when touching down or when moving over the metal surface, Statements about the state or about changes compared to an initial state obtained, in which the measuring arrangement connected downstream of the sensor shows the change in impedance recorded and evaluated.

5.2. Merkmale der Erfindung Die technische Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein magnetinduktiver Sensor, der aus einer Spule mit einem ferromagnetischen Kern besteht, mit einem nachgeschalteten verlustarmen Kondensator einen Resonanzkreis bildet. Entsprechend der zu lösenden technischen Aufgabe werden Sensoren mit unterschiedlichen geometriachen Abmessungen und verschiedenen Kernformen eingesetzt (Fig. 1), wobei Spalt- und Doppelspaltkerne, Stab- und Schalenkerne die Grundform für weitere mögliche Formen bilden.5.2. Features of the invention The technical problem is solved by that a magnetic inductive sensor, which consists of a coil with a ferromagnetic Core consists of a resonance circuit with a downstream low-loss capacitor forms. According to the technical task to be solved, sensors with different geometrical dimensions and different core shapes used (Fig. 1), wherein Split and double split cores, rod and shell cores the basic form for other possible ones Form shapes.

Der aus Sensor und Kondensator gebildete Resonanzkreis wird von einer Wechselspannung konstanter Amplitude angesteuert.The resonance circuit formed by the sensor and capacitor is controlled by a AC voltage of constant amplitude controlled.

Beim Aufsetzen des Sensors auf die Oberfläche des Metall teiles bzw. beim Hinwegführen über die Oberfläche treten Sensor und Metallteil in Wechselwirkung, so daß ein Verstimmen des Kreises bei gleichzeitiger Änderung des Verlustfaktors erfolgt. Das ständige Arbeiten im Resonanzpunkt wird erfindungsgemäß durch eine automatische Frequenzsteuerung erreicht, so daß aus der knderung der Parameter des Resonanzkreises und der erfolgten Frequenzänderung die Meßinformation für den Zustand bzw. die Zustandsänderung der Metalloberfläche gewonnen werden kann.When placing the sensor on the surface of the metal part or When moving across the surface, the sensor and metal part interact, so that a detuning of the circuit with a simultaneous change in the loss factor he follows. The constant work in the resonance point is according to the invention by a automatic frequency control achieved so that from changing the parameters of the Resonance circuit and the frequency change that has taken place, the measurement information for the state or the change in state of the metal surface can be obtained.

Die Meßfrequenz bestimmt dabei die Eindringtiefe des Feldes.The measuring frequency determines the penetration depth of the field.

Die Wirkungsweise wird anhand des Blockschaltbildes (Fig.2) wie folgt beschrieben. Die Sohattung~zllr automatischen Frequenzsteuerung besteht aus den Baugruppen 1 bis 9. Die Vorverstärker 1 und 2 liefern in Verbindung mit den BegrenzerfituSen 3 und 4 die pegelgerechten Signale für den phasenempfindlichen Gleichrichter 5. Die Ausgangsspannung des Diskriminators wird über den Tiefpaß 6 auf den Vorverstärker 7 geführt. Das verstärkte Signal gelangt auf den Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators 8 (VCO). Der Leistungsverstärker 9 dient zur niederohmigen Auskopplung der Erregerspannung. Durch den Taster T1 kann die Schaltung Zwangsweise "eingerastet" werden. Das Messen der Resonanzstromänderung erfolgt durch die Baugruppen 10 bis 15. Die dem Resonanzstrom proportionale Spannung am Widerstand R5 wird verstärkt (10), gleichgerichtet (11) und auf den Summierverstärker 12 geführt. Die variable Spannungsquelle 13 dient zur Kompensation der Spannung URS im Eichzustand, also beim Aufsetzen des Sensors auf die zu untersuchende Metalloberfläche zum Zweck der Kalibrierung. Die Ausgangsspannung wird analog (14) oder digital (15) angezeigt bzw. als Steuergröße (16) weiterverarbeitet. Mit Hilfe der variabel ausgeführten Kapazität aC kann der zur Lösung der Aufgabe eingesetzte Sensor mit dem Gütemaximum an die Schaltung angepaßt und die Mittenfrequenz des Fangbereiches eingestellt werden.The mode of operation is illustrated using the block diagram (Fig. 2) how is described below. The system for automatic frequency control consists of assemblies 1 to 9. Preamplifiers 1 and 2 deliver in conjunction with the Limiter situations 3 and 4 the level-appropriate signals for the phase-sensitive Rectifier 5. The output voltage of the discriminator is passed through the low-pass filter 6 out on the preamplifier 7. The amplified signal arrives at the control input of the voltage controlled oscillator 8 (VCO). The power amplifier 9 is used for low-resistance decoupling of the excitation voltage. With the button T1 the circuit Forcibly "locked". The change in resonance current is measured by assemblies 10 to 15. The voltage across the resistor, which is proportional to the resonance current R5 is amplified (10), rectified (11) and fed to the summing amplifier 12. The variable voltage source 13 is used to compensate for the voltage URS in the calibration state, so when placing the sensor on the metal surface to be examined for the purpose the calibration. The output voltage is displayed in analog (14) or digital (15) or further processed as a control variable (16). With the help of the variably executed Capacity aC can be achieved by the sensor used to solve the task with the maximum quality adapted to the circuit and set the center frequency of the capture range.

Die eingetretene Frequenzänderung wird am Ausgang des Leistungsverstärkers (17) erfaßt und der Auswertung zugeführt.The frequency change that has occurred is shown at the output of the power amplifier (17) detected and fed to the evaluation.

Der Oberflächenzustand des zu untersuchenden Metall teiles wird erfindungsgemäßt durch das Auswerten von drei Parameteränderungen bestimmt. Dadurch unterscheidet sich die Meßanordnung von anderen Anordnungen. Beim Annähern bzw, Aufsetzen und Hinwegführen über Metallteile ändert sich der magnetische Widerstand des Kreises und damit die Induktivität des Resonanzkreises.The surface condition of the metal to be examined is part of the invention determined by evaluating three parameter changes. This differs the measuring arrangement differs from other arrangements. When approaching or, putting on and Moving over metal parts changes the magnetic resistance of the circuit and thus the inductance of the resonance circuit.

Gleichzeitig erfolgt über die im Metall induzierten Wirbelströme eine Änderung des Verlustfaktors des Kreises, der bei ferromagnetischen Metallteilen zusätzlich von den Hysterese- und Nachwirkungsverlusten bestimmt wird. Außerdem beeinflussen die Oberflächenzustände der Metallteile den Feldverlauf, so daß die Rückwirkungen der Änderungen des Feldvektors als Meßinformation ausgewertet werden.At the same time, the eddy currents induced in the metal cause a Change in the loss factor of the circuit in the case of ferromagnetic metal parts is also determined by the hysteresis and after-effects losses. aside from that affect the surface conditions of the metal parts the field course, so that the Reactions of the changes in the field vector are evaluated as measurement information.

Gegenüber anderen magnetinduktiven Meßanordnungen besitzt die erfindungsgemäß zu schützende Meßanordnung den Vorteil, daß eine vom Abstandseffekt relativ unabhängige Aussage über den Zustand der Metalloberfläche getroffen werden kann und daß die Änderungen des Resonanzstromes und die durch das Nachstinmien eingetreue Frequenzänderung als Meßinfornation ausgewertet werden. Dadurch ist es möglich, daß die gleiche Meßanordnung bei entsprechender Wahl des Sensors und der Meßfrequenz zur Lösung unterschiedlicher Meßaufgaben eingesetzt werden kann.Compared to other magnetically inductive measuring arrangements according to the invention to be protected measuring arrangement has the advantage that one from the spacing effect relatively independent statements about the condition of the metal surface can be made can and that the changes in the resonance current and those caused by the Nachstinmien are true Frequency change can be evaluated as measurement information. This makes it possible that the same measuring arrangement with an appropriate choice of the sensor and the measuring frequency can be used to solve different measurement tasks.

6. Ausfübrungsbeispiel-6.1. Nachweis von Korrosion und Schichtablösung an der Oberfläche pulverlackbeschichteter Stahlteile (Sensor mit Spalt-oder Doppelspaltkern nach Fig. 1.1. oder 1.2., Frequenz f = 500 kHz, Sensor mit Stab- oder Schalenkern nach Fig. 1.3.6. Example-6.1. Proof of corrosion and delamination on the surface of powder-coated steel parts (sensor with split or double split core according to Fig. 1.1. or 1.2., frequency f = 500 kHz, sensor with rod or cup core according to Fig. 1.3.

und 1.4., Frequenz f - 700 kHz) Der Sensor ist über ein abgeschirmtes Kabel mit der Meßeinrichtung verbunden. Die Kalibrierung erfolgt durch Aufsetzen des Sensors auf die blanke Metalloberfläche bei gleicher Schichtdicke. Wird nun der Sensor über die zu untersuchende Fläche geführt, wirkt der Zustand der beschichteten Metalloberfläche auf die Parameter des Sensors zurück, indem die elektrischen und magnetischen Eigenschaften die Resonanzbedingungen verändern. Durch die Wahl der Meßfrequenz wird gesichert, daß nur die Metalloberfläche vom Wechselfeld durchsetzt wird und die Dicke des Metalls ohne bestimmenden Einfluß ist. Der Vorteil gegenüber anderen zur Korrosionsmessung verwendeten Schichtmeßgeräten besteht darin, daß die Wirkungen von Oberflächenkorrosion von den Wirkungen, die durch Schichtablösung herbeigeführt werden, unterschieden werden können. Die Anpassung des Sensors an die Frequenz sichert, daß bei Korrosion vorwiegend der Induktionsanteil, bei Schichtablösung der Widerstandsanteil der komplexen Permeabilität beeinflußt wird.and 1.4., frequency f - 700 kHz) The sensor is shielded via a Cable connected to the measuring device. The calibration is carried out by putting it on of the sensor on the bare metal surface with the same layer thickness. Will now If the sensor is guided over the area to be examined, the state of the coated one acts Metal surface to return the parameters of the sensor by changing the electrical and magnetic properties change the resonance conditions. By choosing the The measuring frequency ensures that only the metal surface is penetrated by the alternating field and the thickness of the metal has no determining influence. The advantage over other layer measuring devices used for measuring corrosion is that the Effects of surface corrosion from the effects caused by delamination be brought about, can be distinguished. Adjusting the sensor to the frequency ensures that the induction component is predominant in the event of corrosion, and in the event of delamination the resistance component of the complex permeability is influenced.

Bei Oberflächenkorrosion steigt der Induktionsanteil an, der Widerstandsanteil sinkt. Daraus resultiert eine Erhöhung des Verlustfaktors, der Resonanzstrom wird kleiner. Bei Schichtablösung sinkt der Widerstands teil stärker, der Verlustfaktor sinkt und damit steigt der Resonanzstrom. Über die Änderung des Resonanzstromea kann eine Aussage zum Korrosionszustand der beschichteten Stahlteile getroffen werden. Die teohnologisch bedingten Schwankungen der Sohichtdioke beeinflussen das Ergebnis nur geringfügig. Die Resonanzstromänderungen werden analog oder digital angezeigt.In the case of surface corrosion, the induction component increases, the resistance component sinks. This results in an increase in the dissipation factor, which becomes the resonance current smaller. When the layer is peeled off, the resistance drops more sharply, the loss factor decreases and thus the resonance current increases. About the change in the resonance current a a statement can be made about the state of corrosion of the coated steel parts. The teohnologically conditioned fluctuations in the Sohichtdioke influence the result only slightly. The changes in the resonance current are displayed in analog or digital form.

6.2 Feststellen der Oberflächenrauhigkeit und der Richtung und Tiefe von Bearbeitungsriefen an beschichteten oder unbeschichteten Metallteilen (Sensor mit Spalt- oder Doppelapaltkern nach Fig. 1.1. und Fig. 1.2., Frequenz f = 300 kHz) Nach der Kalibrierung der Meßanordnung durch Aufsetzen des Sensors auf eine vorbereitete Probe wird der Sensor auf das zu untersuchende Metallteil gebracht. Bei beschichteten Teilen ist bei der Kalibrierung der Meßanordnung die gleiche Schichtdicke zugrunde zu legen, wie bei der nachfolgenden Messung. Eine größere Oberflächenrauhigkeit wirkt auf den Widerstandsanteil der komplexen Permeabilität ein, so daß der Verlustfaktor sinkt und der Resonansstrom ansteigt. Ebenso kann die Tiefe und VerlauSsrichtung von Bearbeitungsriefen bestimmt werden. Wegen des Feldverlaufs im Spaltbereich des Sensors ändert sich der Induktions-und der Widerstandsanteil der komplexen Permeabilität in jeweils typischer Weise. Durch Drehen des Meßkopf es, der den Sensor umschließt, kann die Richtung der Bearbeitungsriefen bestimmt werden.6.2 Determining the surface roughness and the direction and depth of processing marks on coated or uncoated metal parts (sensor with split or double split core according to Fig. 1.1. and Fig. 1.2., frequency f = 300 kHz) After calibrating the measuring arrangement by putting on the Sensors on a prepared sample, the sensor is placed on the metal part to be examined brought. In the case of coated parts, when calibrating the measuring arrangement, the the same layer thickness should be used as the basis for the following measurement. One greater surface roughness affects the resistance component of the complex permeability on, so that the loss factor decreases and the resonance current increases. Likewise can the depth and direction of machining grooves can be determined. Because of the The induction and resistance components change over the course of the field in the gap area of the sensor the complex permeability in each typical way. By turning the measuring head it, which encloses the sensor, can determine the direction of the machining marks will.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Vorverstärker 2 Vorverstärker 3 Begrenzerstufe 4 Begrenzerstufe 5 phasenempfindlicher Gleichrichter 6 Tiefpaß 7 Verstärker 8 spannungsgesteuerter Oszillator 9 Leistungsverstärker 10 Verstärker 11 Gleichrichter 12 Summierverstärker 13 variable Spannungsquelle 14 Analoganzeige 15 Digitalanzeige 16 Ausgang Steuersignal 17 Ausgang Frequenzänderung - Leerseite -List of the reference symbols used 1 preamplifier 2 preamplifier 3 limiter stage 4 limiter stage 5 phase-sensitive rectifier 6 low-pass 7 amplifier 8 voltage controlled oscillator 9 power amplifier 10 amplifier 11 rectifier 12 summing amplifier 13 variable voltage source 14 analog display 15 Digital display 16 Output control signal 17 Output frequency change - Blank page -

Claims

Inventive test 1. Magnetic inductive measuring arrangement for determination the surface condition of metal parts, characterized in that a sensor, which forms a magnetic circuit on the coated or to be examined uncoated surface is placed or guided over the surface, whereby the occurring parameter changes of the magnetic circuit from the downstream Circuit arrangement are detected and processed.

2. Sensor according to point (1), characterized in that a coil with Gap (Fig. 1.1.), Double gap (Fig. 1.2.), Rod (Fig.

1.3.) Or pot core (Fig. 1.4.) Together with a capacitor forms a resonance circuit, which by touching down or leading over the Surface is detuned and changed with regard to the loss factor.

3. Circuit arrangement according to item (1), characterized in that the resonance circuit formed by the sensor and capacitor from an alternating voltage constant amplitude fed and the occurring detuning of the circuit via a voltage-controlled oscillator is compensated so that it works in the resonance point remains secured.

4. Circuit arrangement according to point (3), characterized in that depending on the technical problem to be solved typical changes in the induction and resistance components of the complex permeability and thus the loss factor and the resonance frequency are detected and the change the resonance current and the frequency displayed, registered or as a control signal to get redirected.