DE3530525C2 - Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werk­ stoffprüfung gemäß dem Patentanspruch 1 bzw. 5.

Es handelt sich dabei um eine Ultraschall­ prüfvorrichtung mit einem elektrodynamischen Geber. Durch diesen werden im Prüfteil Wirbelströme erzeugt, auf deren bewegte Ladungs­ träger unter dem Einfluß eines Magnetfeldes Lorentzkräfte ausgeübt werden. Volumenelemente, in denen sich die Ladungsträger befinden, übernehmen diese Kräfte und rufen so Schallwellen hervor. Die nach diesem umkehrbaren Prinzip arbeitenden Geber haben gegenüber den seit Jahrzehnten vorwiegend benutzten piezoelektrischen Gebern den entscheidenden Vorteil, daß sie in der Lage sind, ohne ein besonde­ res Ankoppelmedium zu benötigen, elektrische Energie in ein zu prü­ fendes elektrisch leitendes Werkstück einzuleiten und dort in Ul­ traschallenergie umzusetzen, in gleicher Weise umgekehrt Ultra­ schallenergie aus einem elektrisch leitenden Werkstück in ein elek­ trisches Signal umzuwandeln. Hierdurch wurden für die Ultraschall­ prüftechnik neue Anwendungsgebiete erschlossen. Darüberhinaus konn­ ten Prüfgeräte kompakter gestaltet und in ihrer Anwendung verein­ facht werden. Ganz allgemein muß bei der Ultraschallprüfung hinge­ nommen werden, daß an der Oberfläche eines Werkstückes und in de­ ren unmittelbarer Nachbarschaft keine guten Prüfergebnisse zu er­ zielen sind. Dagegen bietet die Wirbelstromprüftechnik gerade in der Umgebung der Oberfläche von Prüfteilen ausgezeichnete Ergeb­ nisse. Es ist daher verständlich, daß häufig der Wunsch besteht, die Ultraschallprüfung in Kombination mit einer zusätzlichen Wir­ belstromprüfung zu betreiben. Umgekehrt besteht in zunehmendem Maße der Bedarf, z.B. bei Rohren, neben der Prüfung auf Oberflächeninho­ mogenitäten, die mit einem Wirbelstromprüfgerät durchgeführt wird, unter Einsatz von Ultraschalltechnik zusätzlich auch die Wanddicke zu messen. Dies hauptsächlich deshalb, um festzustellen, ob ein Fehler bestimmter Tiefe bereits die zulässige minimale Wanddicke unterschreitet, das Rohrstück also als Ausschuß gelten muß, oder ob ein Ausschleifen des Fehlers noch möglich ist.

Zur gemeinsamen Prüfung mit Ultraschall und Wirbelströmen war es erforderlich, zwei getrennte Prüfgeräte und ebenfalls zwei getrennte Prüfkopfanordnungen einzusetzen. Aus der Offenlegungsschrift DE 26 52 085 A1 ist eine Vorrichtung mit in einer Baueinheit vereinigter Ultraschall- und Wirbelstromeinrichtung bekanntgeworden, bei der die Ultraschallprüfeinrichtung nach dem elektrodynamischen Wandlerprinzip arbeitet und die Prüfspulen der Ultraschall- und der Wirbelstromprüfeinrichtung derart zueinander angeordnet sind, daß sich die von den Prüfspulen erfaßten Werkstückbereiche auch bei bewegtem Prüfgut zumindestens teilweise überlappen. Die Umschaltung zwischen den beiden Prüfvorrichtungen kann automatisch durch ein Steuergerät erfolgen.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, für den Fall der Ultraschallprüfung nach dem Prinzip der elektrodynamischen Schallwandlung den zusätzlichen Einsatz einer Wirbelstromprüfung auf Oberflächeninhomogenitäten wesentlich zu vereinfachen und zu verbilligen, und eine bessere Korrelierbarkeit der teilweise einander komplimentierenden Informationen aus beiden Prüfverfahren zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung, die gemäß dem Patentanspruch 1 bzw. dem Patentanspruch 5 gekennzeichnet ist.

Die erfindungsgemäße Lösung hat einige wesentliche Vorteile zur Folge. Zum einen fallen erhebliche Kosteneinsparungen dadurch an, daß nur eine gemeinsame Prüfkopfanordnung erforderlich ist, die kaum teuerer wird als eine solche für die Ultraschallprüfung, da der Mehraufwand lediglich in einer zusätzlichen Empfangsspulenanordnung besteht. Zum anderen fallen gegenüber einem Impuls-Wirbelstromprüfgerät bekannter Bauart die Aufwendungen für die Erzeugung eines elektrischen Hochenergieimpulses und dessen Einleitung ins Prüfteil zwecks Wirbelstromerzeugung fort, da hierfür die entsprechenden Einheiten des Ultraschallprüfgerätes mitbenützt werden. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und unter Benutzung mehrerer Figuren näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch Teile eines Ge­ bers, der in der Erfindung zum Ein­ satz kommt

Fig. 2 die Draufsicht auf Teile des Gebers nach Fig. 1

Fig. 3 die Draufsicht auf Teile eines abge­ wandelten Gebers

Fig. 4 einen Schnitt durch einen anderen Ge­ ber, der in der Erfindung zum Einsatz kommt

Fig. 5 die Draufsicht auf Teile des Gebers nach Fig. 4

Fig. 6 das Prinzipschaltbild einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung

Fig. 7 Impulsdiagramme

In stark vereinfachter Darstellungsweise zeigen Fig. 2 die Drauf­ sicht auf den unteren Teil eines Gebers 10 gemäß der Erfindung und Fig. 1 einen Schnitt entlang der Linie I-I durch Teile des Gebers 10. Der Letztere besitzt zum einen eine Magnetisierungseinrichtung 12 zum Herstellen eines Magnetfeldes H, zum anderen eine Spulenan­ ordnung 14 zum Aussenden und Empfangen hochfrequenter Signale. Die Magnetisierungseinrichtung 12 besteht aus einem nur teilweise dar­ gestellten Jochkern 16 aus magnetisch gut leitendem Werkstoff und einer den Jochkern umfassenden Erregerwicklung 18, über deren Klem­ men 20 ein Strom J in die Erregerwicklung geleitet wird. Die Feld­ linien 17 des aus dem Strom J resultierenden Magnetfeldes H durch­ setzen im wesentlichen senkrecht die Oberfläche des Werkstückes 22, dessen Wanddicke d mit Hilfe der Laufzeitmessung einer reflektier­ ten Ultraschallwelle ermittelt werden soll und dessen Oberfläche mit Hilfe des Wirbelstromimpulsverfahrens auf Inhomogenitäten ge­ prüft werden soll. Die Spulenanordnung 14 besteht aus einer Sende­ spule 24 mit Klemmen 25, einer Empfangsspule 26 mit Klemmen 27 und einem Empfangsspulenpaar 28 mit den Einzelspulen 30 und 32. Die flache, ringförmige Sendespule 24, deren Spulenfläche im wesent­ lichen parallel zur Oberfläche des Werkstückes 22 verläuft, dient dazu, Wirbelströme im Werkstück 22 herzustellen. Diese rufen in Verbindung mit dem Magnetfeld H eine transversale Ultraschallwelle im Werkstück 22 hervor, die sich nach allen Seiten ausbreitet und von der Rückwand des Werkstückes, wie auch von eventuellen Inhomo­ genitäten reflektiert wird. Die Empfangsspule 26 liegt konzentrisch zur Sendespule 24 und in gleicher Ebene mit ihr. Sie dient dazu, Signa­ le aufzunehmen, die von reflektierten Ultraschallwellen im Zusam­ menwirken mit dem Magnetfeld H hervorgerufen werden. Die beiden Einzelspulen 30, 32 des Empfangsspulenpaares 28 sind gleich aufge­ baut und dimensioniert. Sie liegen ebenfalls mit der Sendespule 24 in der gleichen Ebene und sind symmetrisch zu ihr angeordnet. Die Wicklungen der beiden Einzelspulen 30, 32 sind gegensinnig hinter­ einander geschaltet, so daß von Sendespule 24 in die Einzelspulen 30, 32 induzierte Spannungen sich an den Klemmen 34 des Spulenpaa­ res 28 herausheben. Auch die Rückwirkungen von Wirbelströmen in den beiden Einzelspulen 30, 32 heben sich so lange gegeneinander auf, wie die sie hervorrufenden Wirbelströme gleich sind. Unterschied­ liche Wirbelströme unter den beiden Einzelspulen 30, 32, verursacht von Inhomogenitäten des Werkstückes 32, haben dagegen eine Spannung an den Klemmen 34 zur Folge. Führt man z.B. den Geber 10 in Rich­ tung von Pfeil 36 über eine Inhomogenität hinweg, so wirken sich die unterschiedlichen Wirbelströme nacheinander in beiden Einzel­ spulen 30, 32 aus und lassen ein entsprechendes Signal entstehen.

Fig. 3 zeigt eine gegenüber der zuvor beschriebenen abgewan­ delte Spulenanordnung 15, die jedoch in gleicher Weise mit einer Magnetisierungseinrichtung 12 gemäß Fig. 1 zusammenarbeiten soll. Auch sie besitzt eine Sendespule 24 und eine Empfangsspule 26, die denen von Fig. 2 im Aufbau und Wirkungsweise voll entsprechen. Ein Empfangsspulenpaar 29 ist außerhalb der von Sendespule 24 umfaßten Fläche angeordnet. Seine Einzelspulen 31, 33 sind wiederum gleich aufgebaut und dimensioniert, liegen symmetrisch zur Sendespule 24 und in gleicher Ebene mit ihr. Die Wicklungen der Einzelspulen 31, 33 sind ebenfalls elektrisch in Differenz geschaltet, so daß für die Spannung an den Klemmen 35 des Empfangsspulenpaares 29 das gleiche gilt wie beim Empfangsspulenpaar 28.

Fig. 5 zeigt die Draufsicht auf den unteren Teil eines weite­ ren Gebers 40 gemäß der Erfindung, Fig. 4 einen Schnitt entlang einer Linie IV-IV durch den Geber 40. Zum Geber 40 gehören eine Magnetisierungseinrichtung 42 zum Herstellen eines Magnetfeldes H, ferner eine Spulenanordnung 44 zum Aussenden und Empfangen hoch­ frequenter Signale. Die Magnetisierungseinrichtung 42 besteht aus einem U-förmigen magnetischen Jochkern 46 und einer den Jochkern umfassenden Erreger-Wicklung 48 mit Anschlußklemmen 50. Die von den Polen des Jochkernes 46 ausgehenden magnetischen Feldlinien 47 durchdringen die Oberfläche des Werkstückes 22 und verlaufen im we­ sentlichen parallel zu dessen Oberfläche. Die Spulenanordnung 44 besteht aus einer Sendespule 24, einer Empfangsspule 26 und einer anstelle des Empfangsspulenpaares nach Fig. 2 vorgesehenen weite­ ren Empfangsspule 58 mit Anschlußklemmen 64. Die Sendespule 24 und die Empfangsspule 26 sind gleich aufgebaut wie die der Spulenanord­ nung 14 nach Fig. 2. Sie dienen hier dazu, im Zusammenwirken mit dem Magnetfeld H der Magnetisierungseinrichtung 42 eine longitudi­ nale Ultraschallwelle im Werkstück 22 herzustellen und Signale sol­ cher Ultraschallwellen, die im Werkstück 22 reflektiert worden sind, zu empfangen. Empfangsspule 58 ist so ausgerichtet, daß ihre Spu­ lenachse senkrecht auf der Spulenachse der Sendespule 24 steht und daß ihre Spulenfläche, d.h. die von einer mittleren Windung der Empfangsspule 58 aufgespannte Fläche, mit einer Symmetrieebene der Sendespule 24, in diesem Falle der Zeichenebene von Fig. 4, zusam­ menfällt. Innerhalb der Symmetrieebene sind beliebige Lagen, so auch die in Fig. 5 gestrichelt gezeichnete (58), möglich. Infolge der beschriebenen Anordnung von Empfangsspule 58 bezüglich Sende­ spule 24 sind die beiden Spulen gegeneinander vollkommen entkoppelt, so daß an den Klemmen 64 keine Spannung entsteht, wenn ein Impuls­ strom i in der Sendespule 24 fließt. Auch gleichförmig verlaufende Wirbelströme im Werkstück 22 haben keine Spannungen den Klemmen 64 zur Folge. Ein inhomogener Verlauf von Wirbelströmen im Werkstück 22 unterhalb der Empfangsspule 58, verursacht durch eine Inhomo­ genität des Werkstückes, ruft dagegen eine Spannung an den Klemmen 64 hervor. Führt man also den Geber in Richtung von Pfeil 66 über eine solche Inhomogenität, so kann man die Letztere durch eine ent­ sprechende Signalspannung nachweisen.

Fig. 6 gibt ein Blockschaltbild wieder, nach dem Geber 10 gemäß der Fig. 1 und 2 betrieben werden kann. Darin ist eine Gleichstromquelle 70 vorgesehen, die den Strom J zur Speisung der Erregerwicklung 18 des Gleichfeldes H liefert. Ein Impulssender 72 stellt periodisch wiederkehrende steile Impulse her, die im Impuls­ verstärker 74 verstärkt werden und an die Klemmen 25 der Sendespule 24 geführt werden. In Fig. 7a ist der an den Klemmen 25 liegende Spannungsimpuls Us, in Fig. 7b der in der Sendespule 24 fließende Stromimpuls i dargestellt. In die Empfangsspule 26 wird dabei ein Signal Ue gemäß Fig. 7c induziert. Dieses enthält unter anderem einen Signalimpuls 76, der auf die Reflexion einer Ultraschallwelle zurückzuführen ist und der in bekannter Weise in einer Laufzeitmes­ sung ausgewertet wird. Das Signal Ue wird zu diesem Zweck über ei­ nen Hochpaß 78 und einen Vorverstärker 80 zu einer Laufzeitmeßein­ richtung 82 geführt, in der die gewünschte Information, im vorlie­ genden Falle die Wanddicke d des Werkstückes 22, ermittelt wird.

In jeder der beiden Einzelspulen 30, 32 der Empfangsspulenan­ ordnung 28 wird ein Signal Um induziert, das in seinem Verlauf dem Signal Ue der Empfangsspule 26 entspricht. Ein solches ist in Fig. 7d als durchgezogene Linie 75 mit gegenüber Fig. 7c gedehntem Sig­ nal- und Zeitmaßstab dargestellt. Es enthält, wie man sieht, auch den Signalimpuls 76 einer reflektierten Ultraschallwelle. An den Klemmen 34 steht, gleichförmigen Wirbelstromverlauf, also eine ho­ mogene Oberfläche des Werkstückes vorausgesetzt, als Differenz zweier gleicher Signale das Signal Null an, in dem auch der Signal­ impuls 76 nicht mehr enthalten ist. Weichen jedoch die Wirbelströme unter einer der beiden Einzelspulen 30, 32 infolge einer Inhomoge­ nität des Werkstückes 22 von den benachbarten Wirbelströmen ab, so kann sich in dieser Einzelspule ein Verlauf des Signales entspre­ chend der gestrichelten Linie 84 ergeben. An den Klemmen 34 erhält man in diesem Falle einen von Null abweichenden Signalverlauf, näm­ lich den der punktierten Linie 86. Dieser Signalverlauf enthält nach den Lehren der Impulswirbelstromprüftechnik Informationen über die Unterschiede der Wirbelströme unter den beiden Einzelspulen 30, 32 und damit über die Inhomogenität des Werkstückes 22, die die Un­ terschiede bewirkt hat. Zur Auswertung der Signale der Empfangsspu­ lenanordnung 28 an den Klemmen 34 werden die Signale zunächst in einem Verstärker 88 verstärkt, dann einer Abtastschaltung 90 zuge­ führt. Die Letztere, normalerweise als sogenannte sample- and hold -Schaltung aufgebaut, erhält Steuerimpulse von einer Impulsverzöge­ rungsstufe 92, die ihrerseits an den Impulssender 72 angeschlossen ist. Auf diese Weise ist es möglich zu einem Zeitpunkt t1, der durch Impulsverzögerungsstufe 92 um einen bestimmten Betrag gegen­ über dem Start des Impulses aus Impulssender 72 verzögert ist, ei­ nen charakteristischen Wert UD aus dem Signalverlauf 86 herauszu­ tasten und festzuhalten bis zum nächstfolgenden Steuerimpuls in ei­ ner neuen Impulsperiode. Während der Bewegung des Gebers 10 in Richtung 36 über das Werkstück 22 entsteht so ein neuer Signalver­ lauf UA, der in Fig. 7e dargestellt ist. Dieser wird in einem Bandpaß 94 gefiltert und aufbereitet, anschließend in einer Signal­ bewertungsstufe 96 ausgewertet. Selbstverständlich kann auch zu­ sätzlich zu einer Zeit t2 eine Abtastung des Signalverlaufs 86 er­ folgen. So erhält man z.B. zu einem dem Start des Impulses aus Im­ pulssender 72 nahe liegenden Zeitpunkt Informationen, die mehr Aus­ sagekraft für oberflächennahe Bereiche haben, zu einem dem Start des Impulses fern liegenden Zeitpunkt Informationen, die mehr Aus­ sagekraft für von der Oberfläche weiter entfernt liegende Bereiche haben.

Die zuvor beschriebene Betriebsweise eines Gebers in einer Schaltung gemäß Fig. 6 galt für den Geber 10 nach den Fig. 1 und 2. Soll ein Geber nach den Fig. 1 und 3 betrieben werden, so brauchen in Fig. 6 lediglich die Einzelspulen 30, 32 durch Einzel­ spulen 31, 33 ersetzt zu werden. Auch zum Betreiben eines Gebers 40 nach den Fig. 4 und 5 bedarf die Schaltung nach Fig. 6 nur ge­ ringfügiger Änderungen. Es muß dann an die Stelle der Erregerspule 18 die Erregerspule 48, an die Stelle der beiden Einzelspulen 30, 32 eine Empfangsspule 58 treten.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung

• - mit Mitteln (12, 42) zum Herstellen eines starken magnetischen Feldes (H),
• - mit einem Impulsgenerator (72, 74) zum Erzeugen eines steilen elektrischen Stromimpulses (i),
• - mit einer an den Ausgang des Impulsgenerators (72, 74) angeschlossenen, vom Stromimpuls (i) durchflossenen und im Bereich des Magnetfeldes H angebrachten Sendespulenanordnung (24) zum Erzeugen einer Ultraschallwelle in einem der Sendespulenanordnung (24) gegenüberliegenden elektrisch leitenden Prüfteil (22),
• - mit einer ebenfalls im Bereich des Magnetfeldes (H) angebrachten Empfangsspulenanordnung (26), geeignet zum Empfang von Ultraschall-Signalen, die durch von Wirbelströmen im Prüfteil (22) aufgebaute Magnetfelder in der Empfangsspulenanordnung (26) induziert werden, ferner
• - mit Mitteln zum Auswerten der Signale auf Informationen über im Prüfteil reflektierte Ultraschallwellen, und
• - mit einer weiteren Empfangsspulenanordnung (28 29, 58) mit einer Differenzschaltung zwischen gleich aufgebauten und in bezug auf die Sendespulenanordnung (24) gleich ausgerichteten Empfangsspulen (30, 32), wobei am Ausgang (34, 35) der Empfangsspulenanordnung (28, 29, 58) die von der Sendespulenanordnung (24) direkt induzierten Signale verschwinden und nur solche Signale erscheinen, die auf örtliche Änderungen der Wirbelströme zurückgehen und
• - mit einer an diesen Ausgang (34, 35) geschalteten Auswerteeinrichtung (88, 90, 92, 94, 96), die die auf örtliche Änderungen der Wirbelströme zurückgehenden Signale auf Inhomogenitäten der Prüfteiloberfläche nach dem Prinzip der Impulswirbelstromprüftechnik auswertet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsspulenanordnung (28) aus zwei gleich auf­ gebauten und in bezug auf die Sendespulenanordnung (24) gleich ausgerichteten Empfangsspulen (30, 32) besteht, deren Ausgänge in Differenz zusammengeschaltet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespulenanordnung (24) aus einer flächenhaften Spule besteht und die beiden Empfangsspulen (30, 32) im Inneren einer durch die Sendespulenanordnung (24) definierten Fläche angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespulenanordnung (24) aus einer flächenhaften Spule besteht und die beiden Empfangsspulen (31, 33) außerhalb einer durch die Sendespulenanordnung (24) definierten Fläche angeordnet sind.

5. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung

• - mit Mitteln (12, 42) zum Herstellen eines starken magnetischen Feldes (H),
• - mit einem Impulsgenerator (72, 74) zum Erzeugen eines steilen elektrischen Stromimpulses (i),
• - mit einer an den Ausgang des Impulsgenerators (72, 74) angeschlossen, vom Stromimpuls (i) durchflossenen und im Bereich des Magnetfeldes H angebrachten Sendespulenanordnung (24) zum Erzeugen einer Ultraschallwelle in einem der Sendespulenanordnung (24) gegenüberliegenden elektrisch leitenden Prüfteil (22),
• - mit einer ebenfalls im Bereich des Magnetfeldes (H) angebrachten Empfangsspulenanordnung (26), geeignet zum Empfang von Ultraschall-Signalen, die durch von Wirbelströmen im Prüfteil (22) aufgebaute Magnetfelder in der Empfangsspulenanordnung (26) induziert werden, ferner
• - mit Mitteln zum Auswerten der Signale auf Informationen über im Prüfteil reflektierte Ultraschallwellen, und
• - mit einer weiteren Empfangsspulenanordnung (28, 29, 58) mit einer in bezug auf eine flächenhafte Sendespulenanordnung (24) in einer Symmetrieebene der Sendespulenanordnung (24) angeordneten, mit ihrer Spulenachse (Spulenebenennormale) senkrecht zu der Spulenachse (Spulenebenennormalen) der Sendespulenanordnung (24) ausgerichteten Empfangsspule (58), in der von der Sendespuleneinrichtung direkt keine Signale induziert werden und an deren Ausgang (64) nur solche Signale erscheinen, die auf örtliche Änderungen der Wirbelströme zurückgehen und
• - mit einer an diesen Ausgang (34, 35) geschalteten Auswerteeinrichtung (88, 90, 92, 94, 96), die die auf örtliche Änderungen der Wirbelströme zurückgehenden Signale auf Inhomogenitäten der Prüfteiloberfläche nach dem Prinzip der Impulswirbelstromprüftechnik auswertet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Empfangsspulenanordnung aus nur einer Empfangsspule (58) besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (88, 90, 92, 94, 96) mindestens eine Abtastschaltung (90) und mindestens eine Impulsverzögerungsstufe (92) besitzt, daß ferner die Letztere ausgangsseitig die Abtastschaltung (90) steuert und eingangsseitig an den Impulsgenerator (72) angeschlossen ist.