DE3511768C2 - Elektromagnetischer Wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Wandler für die Anregung und für den Empfang von Ultraschallwellen bei der koppelmittelfreien Werkprüfung elektrisch leitender Materie, insbesondere bei der Untersuchung von Werkstücken aus Stahl.

Einen derartigen Wandler beschreibt die DE 33 31 727 A1. Danach sind Leiterbahnen parallel zueinander auf im wesentlichen ebenen Leiterplatten angeordnet, um insbesondere eine Modenspektroskopie bei der Ultraschallprüfung durchlaufender Bleche und Bänder vornehmen zu können. Bei der Prüfung ferromagnetischer Werkstoffe sind hierbei auf Grund des Magnetostriktions-Effektes und des Lorentz- Effektes Sendung und Empfang von Ultraschallwellen möglich. Bei para- oder diamagnetischen Stoffen sowie oberhalb des Curie-Punktes entfällt der Magnetostriktions-Effekt, jedoch ermöglicht auch der Lorentz-Effekt für sich alleine die Sendung und den Empfang. In diesem Falle erzeugt der in den Sendewandler eingespeiste Wechselstrom ein elektromagnetisches Wechselfeld, wodurch in der Oberfläche des Werkstückes Wirbelströme induziert werden. Durch die Wechselwirkung des Wirbelstroms mit einem horizontalen, magnetischen Gleichfeld wirken Lorentz-Kräfte auf die freien Elektronen und damit indirekt auch auf das Metallgitter des Prüfobjektes ein. Sie regen auf Grund ihrer räumlichen und zeitlichen Periodizität eine Ultraschallwelle an, deren Wellenlängen durch die Wandlergeometrie und deren Frequenz durch den Wechselstrom vorgegeben sind.

Das Verhältnis von Signalhöhe zur Rauschhöhe erfüllt hierbei jedoch nicht den durch Signalauswertung von der Datenverarbeitung zu stellenden Anforderungen.

Bekannt ist aus der Praxis die Anordnung von Basissensoren nach der US-PS 43 75 166. Die einzelnen Sensoren lassen sich dabei zu einer gemeinschaftlichen Apertur zusammenschließen. Indes ist eine derartige Anordnung auf die bekannte Anordnung eines Koppelmittels im Raum zwischen der Stirnseite der Basissensoren und der Oberfläche des untersuchenden Prüfpunktes beschränkt. Für die danach übliche Koppelmittelübertragung müssen die Basissensoren für die Koppelmittelübertragung des Ultraschalls ausgefüllt sein, so daß man auch an dieser Stelle magnetostriktives Material vorsehen muß, für deren Verwendung auch die elektronischen Mittel nicht ohne größere Einschränkungen geeignet sind. Für die Gestaltung eines koppelmittelfreien Weges der Ultraschallprüfung lassen sich somit hieraus nur begrenzt einsetzbare Wandler vorsehen.

Die koppelmittelfreie Übertragung von Ultraschallwellen ist nach der DE 26 21 684 A1 bekannt. Hierzu wird ein einzelner Ultraschallstrahl verwendet, mit dem ein störungsfreies, kurzes Nahfeld erzeugt wird, innerhalb dessen der Magnetkern in Richtung auf die Werkstückoberfläche verjüngt ist. Interferenzen werden dabei ausgeschaltet.

Eine Auswahl unter magnetostriktiven Werkstoffen, aus denen die gesinterten Kerne der Basiselemente mit Vorteil bestehen können, vermittelt die Veröffentlichung US-Z: Ultrasonics Symposium Proceedings, IEEE Cat. #78 CH1344-ISU, 1978, S. 374-378.

Im Falle von ferritischen Werkstoffen erzeugen die durch den Sendewandler in der Oberfläche der Werkstücke induzierten Wirbelströme ein magnetisches Wechselfeld, welches sich dem eingeprägten magnetischen Gleichfeld überlagert. Das resultierende modulierte Magnetfeld bewirkt lokale magnetostriktive Dehnungen des ferritischen Werkstoffes und erzeugt somit eine Ultraschallwelle mit vorgegebener Frequenz und Wellenlänge. Die Polaritätsbelegung der Leiterbahnen läßt sich dabei derart vornehmen, daß sich im Interesse der Anpassung an die Abmessungen der zu prüfenden Werkstücke und Werkstoffe Spulen mit flachen, langgestreckten Rechteckquerschnitten ergeben. Dies führt zu einem verhältnismäßig begrenzten Abstrahlwiderstand und zu einer demgemäß geringen abgestrahlten Ultraschall- Leistung, so daß das für die Fehlererkennung erforderliche Signale/Rausch/Verhältnis begrenzt wird.

Von einleitend beschriebenen Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Wandler der einleitend beschriebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß er eine verbesserte Fehlstellendetektion ergibt. Zu diesem Zweck sollen das Signal/Rausch- Verhältnis gesteigert und die Einbeziehung kleinerer Wellenlängen ermöglicht werden, um auch kleinere Fehlstellen bei gleichfalls sehr dickem Material erfassen zu können.

Die Erfindung löst die Aufgabenstellung durch den Gegenstand gemäß dem Patentanspruch 1, für den die Vorschläge der Unteransprüche 2 bis 10 vorteilhafte Weiterentwicklungen vorsehen.

Die gemäß der Erfindung zur Anwendung gelangenden Basiselemente erfüllen bei sehr geringen Querschnitten ihrer Kerne die Forderung einer möglichst hohen Induktivität und folglich hohem Abstrahlwiderstand und noch möglichst geringen Ummagnetisierungs- und Leitungsverlusten. Für die zur Verwendung gelangenden Kerne ergeben sich somit Forderungen, wie sie bei Hochfrequenzdrosseln üblich sind. Daher bestehen die Kerne aus gepreßten oder gesinterten Massen, bei denen die Körner voneinander weitgehend isoliert sind, wie beispielsweise Ferrite. Sie zeichnen sich durch einen gegenüber dem Material ihrer Körner mehrfach größeren Widerstand aus und sind demgemmäß nicht vergleichbar mit für die Erzeugung von Ultraschallwellen bis zu einer Frequenz von 200 kHz verwendeten magnetostriktiven Schwingern, zumal letztere sich für berührungslose Untersuchungen nicht eignen. Die im Sinne der Erfindung verwendeten Kerne müssen bei der zwischen 500 kHz und 5 MHz liegenden Arbeitsfrequenz einen magnetischen Fluß von 9×10^-7 Vs, entsprechend 90 Maxwell, aufweisen. Dem entspricht eine Flußdichte im Kern von 450 mT (milli-Tesla). In der Regel entsprechen gesinterte Ferrite diesen Anforderungen.

Die Mehrfachanordnung der Basiselemente ermöglicht bei entsprechender Schaltung das Eindringen des von ihnen erzeugten Magnetfeldes in Objekte unter einem gemeinsamen Öffnungswinkel, sofern die Stirnseiten der Basiselemente auf das zu prüfende Objekt ausgerichtet sind. Die Anordnung der einzelnen Basiselemente ist dabei so dicht, daß im Bereich der kleinsten Ultraschallwellenlänge noch zwei Basiselemente bestehen.

Die Basiselemente stellen somit Punktstrahler zum Anregen und zum Empfangen von Ultraschall dar. Die elektromagnetischen Eigenschaften lassen sich durch Variation der Einflußgrößen bei entsprechender Belegung ändern, so daß man insbesondere auf diesem Wege eine elektronisch verschwenkbare Ultraschallkeule verwirklicht, die sich für die Fehlerortung insofern besonders gut eignet, weil die Verwendung koppelmittelfrei, also berührungslos ermöglicht ist. Die bestimmenden Meßgrößen sind hierbei der Ohmsche Widerstand und die Induktivität. Der Ohmsche Widerstand setzt sich aus Leitungsverlusten, Ummagnetisierungsverlusten und dem Abstrahlwiderstand zusammen. Von geringer Bedeutung ist die Induktivität, da sie beim Sender in Reihen-Resonanz und beim Empfänger in Parallel-Resonanz kompensiert wird.

Die Mehrfachanordnung der Basiselemente läßt sich zweckmäßig als Rechteck-Matrix oder in Form konzentrischer Ringe vorsehen. Die Basiselemente können sodann unterschiedlich angesteuert werden. Somit lassen sie sich als singuläre Punktstrahler oder auch als singulärer Linienstrahler betreiben. Insbesondere sind sie als Punktstrahler mit einem Linien- oder Flächenarray sowie als Linienstrahler in einem Flächenarray betreibbar. Schließlich können sie noch gemeinschaftlich als Flächenstrahler angesteuert werden.

Die vorerwähnte Ansteuerung innerhalb eines Arrays erfolgt insbesondere nach den bekannten Verfahren der sogenannten "Phased Arrays" im Rahmen der Ultraschalluntersuchung. Beispielsweise sind diese Grundzüge grundsätzlich ausgeführt in der Arbeit von K. Uchida, H. Kashiwaya, T. Mori und A. Honda, "Fundamental Study of Phased Array Ultrasonic Testing Method", American Society for Metalls, Metalls Park, Ohio, 1983, Seiten 427 bis 430. Danach lassen sich elektronisch keulenförmige Ultraschallwellen im Objekt für die Fehlersuche zur Ausbreitung bringen. Andererseits sind auch Fokussierungen zur Fehlererfassung möglich. Diese bekannten Verfahren basieren jedoch auf der Anwendung piezo-elektrischer Ultraschallschwinger, die über ein Koppelmittel zur Einwirkung auf das Objekt gebracht werden. Die Anwendbarkeit bei bewegten Objekten ist demgemäß beeinträchtigt. Insbesondere besteht hierbei eine erhebliche Beeinträchtigung der Meßwerte infolge der ausgeprägten Übersprechempfindlichkeit. Hierauf sowie auf die grundsätzliche Anordnung der linearen und zweidimensionalen Arrays geht S. Falkevich in "Theory of Acoustic Cross Talk in Ultrasonic Phased Arrays", tenth World Conference of Non-Destruktive Testing, Moskau, 1982, Seiten 61 bis 68, ein. Demgegenüber besteht ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Wandlers, daß die Übersprechempfindlichkeit in erheblichem Ausmaß herabgesetzt ist.

Die in der Mehrfachanordnung vorgesehenen Basiselemente liegen geometrisch zueinander fest. Unter Berücksichtigung des Werkstoffes des Objektes läßt sich die Ultraschall-Prüffrequenz dann so wählen, daß die Bedingungen, wonach im Bereich einer kleinsten Ultraschallwellenlänge mindestens zwei Basiselemente bestehen müssen, erfüllt wird. Zur Erzeugung von Linien-Arrays werden die auf einer Linie der Mehrfachanordnung befindlichen Basiselemente entsprechend angesteuert, während zur Erzeugung eines Flächenarrays die entsprechend den Flächenkoordinaten bestimmbaren Basiselemente anzusteuern sind.

Der Wandler ist darüber hinaus auch bei gleichphasiger Ansteuerung seiner Basiselemente als Flächenstrahler einsetzbar. Er ist dann nicht mehr zwingend mit der Wellenlänge korreliert. Die Abstände der Basiselemente sind dabei wesentlich kleiner als die Länge bzw. Breite der Mehrfachanordnung. Für Sendung und Empfang lassen sich je eine Mehrfachanordnung vorsehen. In den Kernen der Sendeentwicklungen baut sich ein vom hochfrequenten Wechselstrom abhängiger Fluß auf, der bei geringem Abstand vom Objekt in letzteren mit dem durch den Skin-Effekt beschriebenen Verhalten eindringt. Sofern der Werkstoff magnetostriktiv ist, führt das Hochfrequenz-Magnetfeld unmittelbar zur Erzeugung von Ultraschall. Dieser läßt sich dann mit den Empfangswicklungen der Basiselemente empfangen. Werkstoffe, die nur elektrisch leitend sind, werden vormagnetisiert, so daß über die Wechselwirkung (Lorentz-Effekt) der vom Hochfrequenz-Magnetfeld induzierten Wirbelströme mit dem Gleichfeld Ultraschall erzeugt wird. Beide Effekte überlagern sich bei ferritischen Stählen.

In entsprechend umgekehrter Weise dient dieses Prinzip für den Empfang der Ultraschallwellen.

Bei ausreichend großem Magnetostriktions-Anteil bei Erzeugung und Empfang des Ultraschalls läßt sich der Wandler ohne zusätzliche Vormagnetisierung betreiben. Bei der Prüfung von nicht magnetostriktiven Werkstoffen besitzen die Basiselemente für den Empfang hingegen Wicklungen für die Vormagnetisierung ihrer Kerne. Darüber hinaus läßt sich allgemein durch eine Vormagnetisierung der Kerne das Signal/Rauschverhältnis noch erheblich steigern, da, wie beschrieben, zum Magnetostriktions- der Lorentz-Effekt hinzukommt. Die Vormagnetisierung läßt sich parallel oder senkrecht zur Oberfläche des Wandlers vornehmen. Bei senkrechter Vormagnetisierung muß verhindert werden, daß die Ferritkerne in Sättigung gehen.

Da man in der Wahl der Richtung der Vormagnetisierung frei ist, lassen sich eine Vielzahl von Wellentypen anregen. Mit wandlerparalleler Vormagnetisierung lassen sich insbesondere SV-, SH- und Longitudinalwellen als freie, Platten- und Raleigh-Wellen als geführte Wellen anregen. Bei vertikaler Vormagnetisierung werden Lambwellen, Transversalwellen und mit räumlich periodischen Magnetfeld SH-Wellen erzeugt und empfangen.

Bei einer praktischen Anwendung der Erfindung sind die Kerne in der Regel gesinterte Ferritstifte mit einem Durchmesser von 1,2 mm. Sie tragen je etwa sieben Windungen für Sendung und Empfang. Soweit eine Vormagnetisierung beabsichtigt ist, können für diesen Zweck noch fünfzehn weitere Windungen hinzu kommen.

Wie bereits erwähnt, liegt die Arbeitsfrequenz für die Ansteuerung der Basiselemente zwischen 500 kHz und 10 MHz. Dabei wird eine Sendeleistung in einer Größenordnung von 1 kW angelegt.

Die vorgeschlagenen Abmessungen der Kerne ermöglichen Abmessungen der Mehrfachanordnungen von dem Quadrat des 6fachen der im Objekt erzeugten, kleinsten Ultraschallwellen, wobei in der beschriebenen Weise je Wellenlänge noch mindestens zwei Basiselemente auch dann kommen, wenn man mit der höchsten Frequenz arbeitet und damit noch kleinste Fehler orten kann. Andererseits läßt ein Array dieser Art Schwenkbewegungen der Ultraschallkeule im Material derart zu, daß auch sehr große, ausgedehnte Werkstücke geprüft werden können. Darüber hinaus läßt sich durch eine örtlich differenzierte Amplitudenbelegung eine wirkungsvolle Dämpfung der Nebenkeulen herbeiführen, so daß das Meßergebnis erheblich präziser wird. Die Amplitudenbelegung folgt beispielsweise der Funktion , wobei x die Ortskoordinate ist und in der Mitte des Arrays Null beträgt.

Durch eine entsprechende Amplitudenbelegung zusätzlich zur Phasenbelegung läßt sich die Tiefenlage eines Fehlers verbessert untersuchen, indem man die Ultraschallwellen auf eine bestimmte Tiefenlage fokussiert. Beispielsweise kann man bei einem Block auf die Rückwand fokussieren, so daß das maximale Echo von der Rückwand ausgehen würde.

Im übrigen ist die Anwendung des neuen Wandlers sowohl im Impuls- Echo-Verfahren als auch im gleichzeitigen Sende- und Empfangsverfahren möglich.

Zur Veranschaulichung der Erfindung wird auf die schematischen, sich auf Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen Bezug genommen. Darin zeigt

Fig. 1 die schematische Anordnung mehrerer Basiselemente auf einer Grundplatte in isometrischer Darstellung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Stirnseiten der eine Mehrfachanordnung bildenden Basiselemente innerhalb eines zweidimensionalen Koordinatensystems,

Fig. 3 eine seitliche Ansicht entsprechend Fig. 2,

Fig. 4 die Wicklungen bei einem einzigen Kern und

Fig. 5 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Belegung eines Arrays.

Entsprechend Fig. 1 erkennt man eine größere Anzahl von Basiselementen 3, die auf einer Grundplatte 9 befestigt sind. Die Grundplatte 9 besteht aus isolierendem Kunststoff und ist ohne Einfluß auf das magnetische oder elektrische Verhalten. Die Basiselemente 3 sind zueinander parallel angeordnet. Jedes Basiselement 3 besteht aus einem Kern 2, der als Ferritstift ausgeführt ist, sowie aus einer Magnetisierungswicklung 1. Letztere kann, wie noch auszuführen sein wird, differenziert gestaltet sein.

Die Mehrfachanordnung ist aus dem Schema gemäß Fig. 2 erkennbar. In einem Flächenkoordinatensystem x, y sind die Basiselemente 3 so angeordnet, daß sich eine dichteste Belegung ergibt. Hierfür ist maßgeblich, daß die Basiselemente 3 einen Abstand 8 voneinander aufweisen, bei welchem mindestens zwei von ihnen auf eine Ultraschallwellenlänge 13 kommen. Bei dieser Ultraschallwellenlänge handelt es sich um die kleinste, die bei der Arbeitsfrequenz im Objekt erzeugt wird. Die Dimensionierung der Kerne in Form von Ferritstiften einerseits sowie die Wicklung mit entsprechend dünnem, lackiertem Kupferdraht andererseits ermöglicht es, diese Abstände einzuhalten. Die Mehrfachanordnung 5 ist also im geometrischen Sinne zu verstehen. Sie ist so getroffen, daß die Stirnseiten 6 der Basiselemente 3 auf ein Werkstück ausrichtbar sind. Elektronisch wird eine derartige Mehrfachanordnung insbesondere so betrieben, daß sich ein Phased Array ergibt. Hierfür erfolgt die Beschaltung beispielsweise in der Weise, wie sie sich aus dem vorstehend bezeichneten Stand der Technik ergibt. Sofern ein Linienarray zu bilden ist, werden beispielsweise die entlang eines Wertes auf der Y-Ordinate liegenden Basiselemente angesteuert. Beim Flächenarray werden demgemäß die entlang mehrerer Ordinatenwerte angeordneten Basiselemente verwendet, während bei einem Punktstrahler lediglich ein, durch seine Koordinatenwerte genau lagemäßig definiertes Basiselement beschaltet wird. Die geometrische Konfiguration der Basiselemente bleibt dabei stets die gleiche.

Insbesondere bilden die Basiselemente in ihrer Mehrfachanordnung eine gemeinsame Apertur 4 innerhalb des Objektes 7 aus, wie sich Fig. 3 entnehmen läßt. Man kann demgemäß auch noch sämtliche Basiselemente gleichzeitig als Flächenstrahler einsetzen.

Das in Fig. 4 einzeln dargestellte Basiselement 3 ist mit differenzierten Wicklungen ausgeführt. Der Kern 2 trägt dabei eine Sendewicklung 10 und eine demgegenüber getrennte Empfangswicklung 11. Weiterhin ist er mit einer Wicklung 12 für die Vormagnetisierung versehen.

Gemäß dem in Fig. 5 dargestellten Schaltbild werden die Basiselemente 3 einer Mehrfachanordnung als Array betrieben. Der Anschaulichkeit halber sind lediglich zwei von den Basiselementen 3 dargestellt. Für die Fokussierung und Verschwenkbewegung besteht eine Steuereinheit 101. Weiterhin ist ein Burstgenerator 102 vorgesehen. Die Burstverzögerungen 103 entsprechen sowie auch die nachgeschalteten Burstverstärker 105 und die Senderabstimmungen 106 der Anzahl der Basiselemente 3. Demgemäß sind die zuletzt erwähnten Bestandteile zweifach in Fig. 5 dargestellt. Die Vormagnetisierungswicklungen der Basiselemente 3 sind an den gemeinschaftlichen Vormagnetisierungsgenerator 104 angeschlossen. Für jede der Empfangswicklungen 11 besteht eine Empfängerabstimmung 115 und parallel hierzu ein Empfängerverstärker 109 mit nachgeschalteter Verzögerungsleitung 110. Die Empfängerabstimmungen 115 sind wie die Senderabstimmungen 106 an die geminschaftliche Steuereinheit 108 für den Resonanzabgleich angeschlossen.

Die Verzögerungsleitungen 110 führen zum gemeinschaftlichen Addierer 111, dessen Ausgang auf den Demodulator 113 geschaltet ist. Der für den gesamten Array einfach vorgesehene, einstellbare Arbeitsfrequenzoszillator 112 speist sowohl den Demodulator 113 als auch den Burstgenerator 102. Die am Demodulator 113 vorgenommene Signalauswertung führt schließlich zum Sichtgerät 114, welches auch durch weitere Teile einer Signalverarbeitung ersetzt sein kann.

Claims (10)

1. Elektromagnetischer Wandler für die Anregung und den Empfang von Ultraschallwellen bei der koppelmittelfreien Prüfung elektrisch leitender Materie, insbesondere bei der Untersuchung von Werkstücken aus Stahl, bei dem mehrere stiftförmige HF-Kerne (2), welche jeweils Magnetisierungswicklungen (1) tragen, die Basiselemente (3) einer Mehrfachanordnung (5) bilden, bei welcher die Basiselemente (3) mit den auf das zu prüfende Objekt (7) ausgerichteten Stirnseiten (6) ihrer Kerne (2) in einer auf die Oberfläche des zu prüfenden Objekts (7) bezogenen Ebene in der Struktur einer Rechteck-Matrix oder konzentrischer Ringe ausgeführt sind und die Magnetisierungs-Wicklungen (1) mit Wechselstrom vorgegebener Prüffrequenz unterschiedlich so angesteuert werden, daß die Basiselemente (3) wahlweise als Punkt- oder Linienstrahler oder in einem Linien- oder Flächenarray sowie als Flächenstrahler betreibbar sind.

2. Elektromagnetischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Basiselemente (3) derart dicht ist, daß der Abstand zweier Basiselemente (3) kleiner ist als die kleinste Prüfschallwellenlänge.

3. Elektromagnetischer Wandler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Sendung und den Empfang je eine Mehrfachanordnung (5) vorgesehen ist.

4. Elektromagnetischer Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselemente (3) einer Mehrfachanordnung (5) getrennte Sende- und Empfangswicklungen (10, 11) aufweisen.

5. Elektromagnetischer Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselemente (3) weiterhin Wicklungen (12) für die Vormagnetisierung ihrer Kerne (2) aufweisen.

6. Elektromagnetischer Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne (2) der Basiselemente (3) auf einer aus einem Isolierstoff bestehenden Grundplatte (9) nebeneinanderstehend befestigt sind.

7. Elektromagnetischer Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne (2) gesinterte Ferritstifte mit einem Durchmesser von 1 bis 2 mm und einer Länge von 8 bis 15 mm sind, die je etwa sieben Windungen (10, 11) für die Sendung und den Empfang und wahlweise etwa fünfzehn Windungen (12) für ihre Vormagnetisierung tragen.

8. Elektromagnetischer Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselemente (3) mit einer Prüffrequenz zwischen 500 kHz bis 10 MHz ansteuerbar sind.

9. Elektromagnetischer Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselemente (3) mit einer Sendeleistung der Größenordnung von 1 kW ansteuerbar sind.

10. Elektromagnetischer Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselemente (3) ein Array von einer Flächenausdehnung bilden, die so groß wie das Quadrat des 6fachen der im Objekt (7) erzeugten Ultraschallwellen ist.