DE3612470A1 - Wirbelstrom-defektoskop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wirbelstrom-Defektoskop zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, insbesondere für die magnetinduktive Defektoskopie und die Schichtdickenmessung.

In der GB-PS 21 41 234 wird ein Wirbelstrom-Defektoskop vorgeschlagen, das eine Wirbelstromsonde im Schwingkreis eines selbsterregten Oszillators aufweist, der mit einem steuerbaren Wechselspannverstärker, gefolgt von einem Schwellwertschalter und einem automatischen Abgleichzweig, verbunden ist.

Die Defektanzeige erfolgt bei diesem Wirbelstrom-Defektoskop nach dem Schwellwertschalter als Ja/Nein-Anzeige. Mit dem beschriebenen Wirbelstrom-Defektoskop ist es also nicht möglich, den durch einen Defekt hervorgerufenen Schädigungsgrad eines leitfähigen Grundmaterials zu ermitteln.

Ebenso ist beim Einsatz dieses Gerätes zur Überprüfung von nichtleitenden Deckschichten keine quantitative Aussage über auftretende Dickenverringerungen dieser Schichten möglich, Schichtdickenerhöhungen werden nicht erfaßt. Außerdem ist weder eine Bestimmung der Dicke leitfähiger Überzüge auf dielektrischem Substrat noch eine Messung von nichtferromagnetischen Schichten auf ferromagnetischer Unterlage möglich.

Weiterhin ist das vorgeschlagene Wirbelstrom-Defektoskop nicht in der Lage, zwischen einem Defekt, beispielsweise einem Riß, und einer lokalen Erhöhung der Leitfähigkeit bzw. der Permeabilität zu unterscheiden, woraus Pseudodefektanzeigen entstehen.

Das Wirbelstrom-Defektoskop nach GB-PS 21 41 234 weist also einen nur beschränkten Gebrauchswert innerhalb eines begrenzten Anwendungsbereiches auf.

Ziel der Erfindung ist es, ein Wirbelstrom-Defektoskop zu schaffen, dessen Anwendungsbereich bei gesteigertem Gebrauchswert deutlich erweitert ist.

Es besteht die Aufgabe, ein Wirbelstrom-Defektoskop zu entwickeln, das die Ermittlung des durch einen Defekt hervorgerufenen Schädigungsgrades eines leitfähigen Grundmaterials ermöglicht und die quantitative Überprüfung nichtleitender Deckschichten auf leitfähigem, leitfähiger Deckschichten auf dielektrischem sowie nichtferromagnetischer Schichten auf ferromagnetischem Grundmaterial gestattet. Weiterhin soll das Wirbelstrom-Defektoskop Pseudodefektanzeigen, hervorgerufen durch lokale Permeabilitäts- bzw. Leitfähigkeitserhöhungen, unterdrücken.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Wirbelstrom-Defektoskop, das einen selbsterregten Oszillator mit Wirbelstromsonde in seinem Schwingkreis, einen steuerbaren Wechselspannungsverstärker, einen Schwellwertschalter, bestehend aus Amplituden- und Schwellendetektor, und einen automatischen Abgleichzweig sowie einen Defektindikator aufweist, zusätzlich eine Stelleinheit zur Beeinflussung der vom automatischen Abgleichzweig erzeugten Abgleichspannung, eine Pegelselektionseinheit, einen Mehrstufenindikator und eine Frequenzerfassungseinheit zur Nutzung der durch lokale Erhöhungen der Permeabilität bzw. Leitfähigkeit hervorgerufenen Frequenzänderung der Schwingungen des selbsterregten Oszillators besitzt.

Dabei ist der Eingang der Hintereinanderschaltung von Pegelselektionseinheit und Mehrstufenindikator mit dem Ausgang des automatischen Abgleichzweiges verbunden, während der Ausgang der vorgenannten Stelleinheit derart mit dem automatischen Abgleichzweig verknüpft ist, daß eine definierte Veränderung der vom automatischen Abgleichzweig erzeugten Abgleichspannung möglich wird. Außerdem ist die Frequenzerfassungseinheit mit dem selbsterregten Oszillator so verbunden, daß eine durch lokale Erhöhung der Permeabilität bzw. Leitfähigkeit bedingte Frequenzänderung der vom selbsterregten Oszillator erzeugten Wechselspannung erfaßt wird und das diese Information tragende Signal mit einem Ausgangssignal des Schwellwertschalters logisch so verknüpft ist, daß nur eine gleichzeitige Amplituden- und Frequenzverminderung der vom selbsterregten Oszillator erzeugten Wechselspannung eine Defektanzeige auslöst.

Der Eingang des Defektindikators des erfindungsgemäßen Wirbelstrom-Defektoskopes liegt am Verbindungspunkt von Amplituden- und Schwellendetektor des bereits genannten Schwellenschalters.

Die Erfindung soll an einem nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigen die zugehörigen Zeichnungen in

Fig. 1: das Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Wirbelstrom- Defektoskopes und

Fig. 2: eine vorteilhafte Schaltvariante zur Einfügung der Frequenzerfassungseinheit in den selbsterregten Oszillator.

Gemäß Fig. 1 besitzt das erfindungsgemäße Wirbelstrom- Defektoskop einen selbsterregten Oszillator 1, in dessen Schwingkreis eine Wirbelstromsonde 2 eingeschaltet ist, und dessen Ausgang mit dem Eingang eines steuerbaren Wechselspannungsverstärkers 3 verbunden ist. Dessen Ausgang wiederum liegt am Eingang eines automatischen Abgleichzweiges 4, dessen Schwellwertschalter 5, bestehend aus einem Amplitudendetektor 6 und einem Schwellendetektor 7 von einem Integrator 8 gefolgt wird. Dieser besteht aus einem Impulsgenerator 9, einer Torschaltung 10, einem Vor/Rückwärts-Zähler 11 und einem Digital-Analog-Umsetzer 12, wobei die Torschaltung 10 vom Schwellendetektor 7 gesteuert wird und ihr Ausgang auf den Vorwärtszähleingang des Vor/Rückwärts-Zählers 11 führt. Element 13 ist eine Stelleinheit, die mit dem Vorwärts- und dem Rückwärtszähleingang des Vor/Rückwärts-Zählers 11 verbunden ist.

Die Ausgangsspannung des automatischen Abgleichzweiges 4 gelangt als Abgleichspannung an die Steuereingänge des Oszillators 1 und des Wechselspannverstärkers 3 sowie an den Eingang einer Pegelselektionseinheit 14, der ein Mehrstufenindikator 15 nachgeschaltet ist. Die Eingänge einer Frequenzerfassungseinheit 16 sind mit den Ausgangsspannungen des Oszillators 1 und des Schwellwertschalters 5 beschaltet, während ihr Ausgang einen Analogschalter 17 steuert, der die Ausgangsspannung des Amplitudendetektors 6 auf einen Defektindikator 18 schaltet.

Fig. 2 zeigt als besonders vorteilhafte Schaltungsvariante zur Realisierung des erfindungsgemäßen Wirbelstrom-Defektoskops die Einfügung der Frequenzerfassungseinheit 16 in den selbsterregten Oszillator 1.

In diesem Falle besitzt der Oszillator 1 in seinem Rückkopplungszweig einen Spannungsteiler 20, der frequenzabhängig ist.

Die Wirkungsweise des beschriebenen Wirbelstrom-Defektoskopes ist folgende:

Zum Abgleich des Wirbelstrom-Defektoskopes für eine Rißprüfung wird die Wirbelstromsonde 2 auf eine rißfreie Stelle eines Prüflings 19 aufgesetzt. Danach werden der Vor/Rückwärts-Zähler 11 auf Null gesetzt und die Torschaltung 10 geöffnet. In diesem Falle liegt am Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers 12 die maximale Spannung an. Mit Erhöhung des Zählerstandes des Vor/Rückwärts-Zählers 11 wird diese Ausgangsspannung solange verringert, bis die Schwingungen des selbsterregten Oszillators 1 einsetzen. Dieser Zustand wird vom Schwellwertschalter 5 erfaßt und führt zum Sperren der Torschaltung 10, worauf die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Umsetzers 12 konstant bleibt und das Wirbelstrom-Defektoskop für die Rißprüfung des Prüflings 19 abgeglichen ist.

Gelangt die Wirbelstromsonde 2 über einen Oberflächenriß, so verrringert sich die Amplitude der Schwingungen des Oszillators 1 im Maße der durch den Riß hervorgerufenen Schädigung des Prüflings 19.

Der Defektindikator 18 zeigt in einer Analoganzeige das Ausmaß der Schädigung des Prüflings 19 an, während mit einer akustischen Anzeige das Vorhandensein des Defektes überhaupt indiziert wird.

Die Unterdrückung einer Pseudodefektanzeige im Falle einer lokalen Erhöhung der Permeabilität bzw. Leitfähigkeit im Prüfling 19 wird realisiert durch die Frequenzerfassungseinheit 16. Diese Frequenzerfassungseinheit 16 ermittelt die bei den vorgenannten Effekten auftretenden Frequenzveränderungen, die den durch einen tatsächlichen Riß auftretenden Frequenzverschiebungen entgegengesetzt sind, und blockiert mittels des Analogschalters 17 den Defektindikator 18.

Im Falle der Realisierung des Wirbelstrom-Defektoskopes gem. Fig. 2 wird das einen Riß vortäuschende Absinken der Amplitude der vom Oszillator 1 gelieferten Wechselspannung mittels des frequenzabhängigen Spannungsteilers 20 verhindert und so eine Pseudodefektanzeige unterdrückt. Die quantitative Anzeige der Schädigung erfolgt im analogen Anzeigeteil des Defektindikators 18 bis zum völligen Abriß der Schwingungen des Oszillators 1. Zur Quantifizierung größerer Schädigungen oder zur genaueren Bewertung kleinerer Schädigungen dient die Stelleinheit 13, mit der eine Veränderung der vom automatischen Abgleichzweig 4 erzeugten Abgleichspannung möglich ist.

Ist die Schädigung so groß, daß es im Oszillator 1 zum Schwingungsabriß kommt, kann über die Betätigung der Stelleinheit 13 mit dem Vor/Rückwärts-Zähler 11 die Schwingungsamplitude des Oszillators 1 wieder so erhöht werden, daß diese erneut im Anzeigebereich des Defektindikators 18 liegt. Die erforderliche Anzahl der Betätigungen der Stelleinheit 13 ist nun ein Maß für den Grad der Schädigung des Prüflings 19.

Zur akustischen Indikation auch kleinerer Defekte wird die Schwingungsamplitude des Oszillators 1 mit Hilfe der Stelleinheit 13 verringert, so daß das Wirbelstrom- Defektoskop näher am Schwellpunkt des Schwellwertschalters 5 arbeitet und die akustische Indikation zeitiger einsetzt.

Bei der Anwendung des Wirbelstrom-Defektoskopes zur quantitativen Prüfung von Schichten wird das Gerät auf einer rißfreien Stelle des Prüflings 19 mit definierter Schichtdicke, die ggf. auch Null sein kann, abgeglichen. Dabei wird die Abgleichspannung vom Mehrstufenindikator 15, der von der Pegelselektionseinheit 14 angesteuert wird, angezeigt.

Diese Pegelselektionseinheit 14 ist nur zum besseren Verständnis der Funktion des Wirbelstrom-Defektoskopes mit einem analogen Abgleichzweig eingezeichnet und kann bei vorliegender digitaler Auslegung des automatischen Abgleichzweiges 4 vorteilhaft entfallen, wobei der Mehrstufenindikator 15 vom Vor/Rückwärts-Zähler 11 zu steuern ist. Die oben genannte Anzeige der Abgleichspannung bildet einen Fixpunkt einer Kalibrierkurve, deren zweiter Fixpunkt durch einen weiteren Abgleich auf einer Stelle mit anderer definierter Schichtdicke gewonnen wird.

Das Prüfen unbekannter, in ihrer Dicke zwischen diesen Kalibrierwerten liegender Schichten erfolgt durch Abgleich auf einer solchen Schicht und anschließender Ergebnisbildung mittels der festgelegten Kalibrierkurve.

Aus der Funktionsbeschreibung des erfindungsgemäßen Wirbelstrom- Defektoskopes geht hervor, daß seine Anwendung deutliche Vorteile mit sich bringt:

Die Möglichkeit der Unterdrückung von Pseudodefektanzeigen erhöht den Gebrauchswert des Wirbelstrom-Defektoskopes sehr stark, seine Anwendung kann sich nunmehr auch auf Gebiete wie die Rißprüfung von austenitischem Material mit Delta-Ferritzeilen oder von Schweißnähten erstrecken, die bisher dieser Art von zerstörungsfreier Materialprüfung i. a. nicht zugänglich waren.

Die quantitative Rißbewertung gestattet wesentlich präzisere Aussagen über den Schädigungsgrad eines Bauteiles als es mit den bekannten technischen Lösungen möglich war.

Dies trägt beispielsweise zur Erhöhung der technischen Sicherheit moderner Anlagen der Energiegewinnung, der chemischen und metallverarbeitenden Industrien sowie des Transportwesens bei.

Die unkomplizierte und ohne Veränderungen am Gerät nutzbare Zweitfunktion Schichtdickenmessung erweitert den Anwendungsbereich zusätzlich. Es ist beispielsweise problemlos möglich, folgende Aufgaben zu lösen:

Dickenmessung von Metallfolien, von Lackschichten auf ferromagnetischem Material, von metallischen Schutzschichten auf Stählen u. a. m.

• Aufstellung der Bezugszeichen zur Erfindungsanmeldung "Wirbelstrom-Defektoskop"  1 Oszillator
   2 Wirbelstromsonde
   3 Wechselspannungsverstärker
   4 Abgleichzweig
   5 Schwellwertschalter
   6 Amplitudendetektor
   7 Schwellendetektor
   8 Integrator
   9 Impulsgenerator
  10 Torschaltung
  11 Vor/Rückwärts-Zähler
  12 Digital-Analog-Umsetzer
  13 Stelleinheit
  14 Pegelselektionseinheit
  15 Mehrstufenindikator
  16 Frequenzerfassungseinheit
  17 Analogschalter
  18 Defektindikator
  19 Prüfling
  20 Spannungsteiler

Claims (10)

1. Wirbelstrom-Defektoskop, das einen selbsterregten Oszillator mit Wirbelstromsonde in seinem Schwingkreis, einen steuerbaren Wechselspannungsverstärker, einen Schwellwertschalter, bestehend aus Amplituden- und Schwellendetektor, einen automatischen Abgleichzweig sowie einen Defektindikator aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß das Wirbelstrom-Defektoskop zusätzlich
2. 1) eine Stelleinheit (13) zur Beeinflussung der vom automatischen Abgleichzweig (4) erzeugten Abgleichspannung,
3. 2) eine Pegelselektionseinheit (14),
4. 3) einen Mehrstufenindikator (15) und
5. 4) eine Frequenzerfassungseinheit (16) zur Nutzung der durch lokale Erhöhung der Leitfähigkeit bzw. Permeabilität hervorgerufenen Frequenzänderung der Schwingungen des selbsterregten Oszillators (1) besitzt und daß
6. 5) der Eingang der Hintereinanderschaltung von Pegelselektionseinheit (14) und Mehrstufenindikator (15) mit dem Ausgang des automatischen Abgleichzweiges (4) verbunden ist,
7. 6) der Ausgang der Stelleinheit (13) derart mit dem automatischen Abgleichzweig (4) verknüpft ist, daß eine definierte Veränderung der vom automatischen Abgleichzweig (4) erzeugten Abgleichspannung möglich ist,
8. 7) die Frequenzerfassungseinheit (16) mit dem selbsterregten Oszillator (1) so verbunden ist, daß eine durch lokale Erhöhung der Leitfähigkeit bzw. Permeabilität bedingte Frequenzänderung der vom selbsterregten Oszillator (1) erzeugten Wechselspannung erfaßbar ist,
9. 8) das diese Information tragende Signal mit einem Ausgangssignal des Schwellwertschalters (5) logisch so verknüpft ist, daß nur eine gleichzeitige Amplituden- und Frequenzverminderung der vom selbsterregten Oszillator (1) erzeugten Wechselspannung eine Defektanzeige des Defektindikators (18) auslöst und schließlich
10. 9) der Eingang des Defektindikators (18) am Verbindungspunkt von Amplituden- und Schwellendetektor (6 und 7) des Schwellenschalters (5) liegt.