DE3637366C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Ultraschallwellenwandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige koppelmittelfreie Ultraschallwellenwandler sind insbesondere aus der DE-AS 26 55 804 bekannt und bestehen aus einer mäanderförmigen Hochfrequenzspulen­ anordnung, deren dynamisches Magnetfeld über Luft in das Werkstück eingekoppelt wird. Die Spulenanordnung befindet sich dabei in einem horizontal oder recht­ winklig zur Werkstücksoberfläche orientierten Magnet­ feld. Ein Teil des von den Hochfrequenzspulen erzeugten hochfrequenten Magnetfeldes, dessen Frequenzbereich innerhalb des Ultraschall-Frequenzbereiches liegt, dringt in das Werkstück ein und induziert Wirbelströme, die zusammen mit dem magnetischen gleich- oder nieder­ frequenten Wechselfeld aufgrund von Lorentzkräften oder Magnetostriktionen Ultraschall erzeugen. Mäanderförmig aufgebaute Spulenwicklungen werden hauptsächlich zur Winkeleinschallung von Transversalwellen sowie zur Anregung geführter Wellen genutzt, während andere Spulengeometrien wie spiralförmige Flachspulen oder rechteckförmige Flachspulen zur Senkrechteinschallung von Transversalwellen oder Longitudinalwellen benutzt werden.

Bei den mäanderförmig aufgebauten Spulenwicklungen mit alternierendem Wicklungssinn beträgt die Amplitudenab­ nahme der auf diese Art und Weise erzeugten und empfan­ genen Ultraschallwellen zwischen 90 und 100 dB bei einer Abhebung der Hochfrequenzspule von der Werk­ stücksoberfläche von einer Wicklungsperiode oder Spur­ wellenlänge. Übliche Wicklungsperioden betragen zwi­ schen 2 und 6 mm. Hieraus ergibt sich, daß die Abstän­ de, die zwischen der Hochfrequenzspule und dem Werk­ stück eingehalten werden müssen, kleiner als 1 mm sind, da der zur Verfügung stehende Dynamikbereich solcher Wandler meist 50 dB nicht überschreitet. Bei zunehmen­ der Frequenz, d. h. abnehmender Wicklungsperiodizität muß die Hochfrequenzspule praktisch auf der Oberfläche aufsitzen, um ausreichende Signalrauschabstände zu erzielen. Diese physikalisch gegebenen Randbedingungen schränken den praktischen Einsatz der bekannten Prüf­ köpfe an technischen Oberflächen stark ein. Es müssen große Anstrengungen unternommen werden, um die durch mechanische, chemische oder thermische Einflüsse leicht zu beschädigenden aus dünnen Drähten mit einem Durch­ messer von etwa 0,1 mm bestehenden Spulenwicklungen zu schützen.

Vergrößert man den Abstand der Luftspule, so ergibt sich das Problem, daß das Eindringen des erzeugten hochfrequenten Magnetfeldes in das Werkstück verringert wird. Da es sich um ein örtlich entlang der Oberfläche des Spulenträgers entsprechend der halben Spurwellenlänge alternierendes Magnetfeld handelt, ergibt sich bei größeren Abständen ein zusätzliches Problem durch ein Verschmieren des Magnetfeldes infolge von Überlagerungen, wobei bereits bei einem Abstand von der Oberfläche, der der Spurwellenlänge entspricht, ein Verlust von 109 dB auftritt. Infolge der Struktur des Magnetfeldes der Hochfrequenzspulen gilt nämlich nicht das Abstandsgesetz nach Biot-Savart, sondern ein Abfall entsprechend einer Exponentialfunktion.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er­ findung die Aufgabe zugrunde, einen koppelmittelfreien elektromagnetischen Ultraschallwellenwandler der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, der bei einem hohen Wirkungsgrad gegen Schädigungen der Hochfrequenzspulen wirksam geschützt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Hochfrequenzspulenanordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ermöglicht es, die Spule selbst als empfindlichstes Teil von der Werkstücksoberfläche entfernt anzubringen. Dadurch wird die Gefahr einer Beschädigung durch Oberflächenrauhheiten, hervorstehende Teile und Zunder erheblich verringert. Während bei Luftspulen Abstände von weniger als 1 mm zwischen der Werkstücksoberfläche und der Spule eingehalten werden müssen, bietet die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Hochfrequenzspulenanordnung die Möglichkeit, die Spule mehrere Millimeter von der Oberfläche entfernt anzuordnen. Damit hat man durch entsprechende Maßnahmen wie z. B. durch Eingießen mit keramischen oder anderen verschleißarmen Materialien eine gute Chance, höhere Standzeiten für den elektromagnetischen Ultraschallwellenwandler oder Prüfkopf zu erreichen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispielen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Hochfrequenzspulenanordnung gemäß der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 2 einen elektromagnetischen Ultraschallwandler mit einem im Schnitt M-förmigen Elektromagne­ ten,

Fig. 3 einen elektromagnetischen Ultraschallwandler mit einem im Schnitt U-förmigen Elektromagne­ ten,

Fig. 4 einen elektromagnetischen Ultraschallwellen­ wandler mit einem Permanentmagneten und

Fig. 5 einen Spulenträger für eine Anordnung, bei der Sender und Empfänger ineinander ver­ schachtelt sind und einen Abstand von einem Viertel der Wicklungsperiode haben.

In Fig. 1 erkennt man einen Spulenträger 1 mit mehreren Hochfrequenzspulen 2 bis 6 für einen elektrodynamischen Ultraschallwellenwandler. Der Aufbau eines elektro­ dynamischen Ultraschallwellenwandlers ergibt sich aus den Fig. 2 bis 4, die jeweils im Schnitt erkennen lassen, wie dem Spulenträger 1 mit Hochfrequenzspulen 2, 3, 4, 5 ein Elektromagnet 7, ein Elektromagnet 8 oder ein Permanentmagnet 9 zugeordnet ist. Die Elektro­ magnete 7 oder 8 dienen zur Erzeugung eines nieder­ frequenten Magnetfeldes, während der Permanentmagnet 9 zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes vorgesehen ist.

Der Spulenträger 1 ist in Fig. 1 in perspektivischer Ansicht auf der Oberfläche 10 eines nicht näher darge­ stellten Werkstückes aufgesetzt. Die Hochfrequenzspulen 2 bis 6 sind in Serie geschaltet und werden mit Hoch­ frequenz-Impulsen beaufschlagt, um Ultraschall zum Aussenden zu erzeugen. Der dazu erforderliche Hoch­ frequenz-Impulsgenerator 11 ist in Fig. 1 symbolisch dargestellt.

Die vom Hochfrequenzgenerator 11 erzeugten Impulse beaufschlagen die in Reihe geschalteten Hochfrequenz­ spulen 2 bis 6, deren Wicklungssinn jeweils zwischen benachbarten Hochfrequenzspulen 2 bis 6 verschieden ist, was für die Hochfrequenzspulen 2, 3, 4 durch Pfeile veranschaulicht ist, die den Wicklungssinn bzw. die Stromrichtung in den Hochfrequenzspulen 2, 3, 4 angeben. Neben dem frequenzabhängigen Spulenstrom sind in Fig. 1 Feldlinien 12 des durch die Hochfrequenzspu­ len 2, 3, 4 erzeugten Magnetfeldes dargestellt. Außer­ dem ist in Fig. 1 die Spurwellenlänge durch die Pfeile 13 symbolisiert.

Der Spulenträger 1 mit den Hochfrequenzspulen 2 bis 6 dient zur Erzeugung eines vorgebbaren Hochfrequenz-Wir­ belstrommusters innerhalb der Skintiefe des zu prüfen­ den Werkstückes mit der Oberfläche 10. Der Spulenträger 1 besteht aus einem magnetisch gut leitenden und elek­ trisch möglichst schlecht leitenden Material. Wie man in den Fig. 1 bis 4 erkennt, weist der Spulenträger 1 eine Kamm-Struktur auf. Diese Kamm-Struktur kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, daß im Material des Spulenträgers 1 mehrere parallel verlaufende Nuten 14 vorgesehen sind, die sich bis in die Nähe der Ober­ seite 15 des Spulenträgers 1 erstrecken. Der Spulen­ träger 1 hat somit die Gestalt einer Platte 16, die in Richtung auf die Oberfläche 10 mit mehreren vorsprin­ genden Leisten 17 versehen ist. Die Leisten 17 haben beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt. Ihre Abmessungen können den Abmessungen der Nuten 14 ent­ sprechen.

Wie man in den Fig. 1 bis 4 erkennt, sind die Hoch­ frequenzspulen 2 bis 6 jeweils auf den Leisten 17 an deren der Platte 16 benachbarten Ende aufgewickelt. Aus diesem Grunde liegen die Hochfrequenzspulen 2 bis 6 gegenüber dem zur Oberfläche 10 des Werkstückes weisen­ den Stirnflächen 38 der Leisten 17 geschützt zurück­ gezogen in den Nuten 14. Hierdurch ergibt sich für die Hochfrequenzspulen 2 bis 6 ein guter Schutz gegen Beschädigungen der die Hochfrequenzspulen 2 bis 6 bildenden dünnen isolierten Drähte.

Wenn die Hochfrequenzspulen 2 bis 6 aus dünnen iso­ lierten Drähten im Sendefall mit einem Hochfrequenz-Im­ puls des Hochfrequenz-Impulsgenerators 11 beaufschlagt werden, entstehen nach dem Induktionsgesetz hochfre­ quente dynamische Magnetfelder in der magnetisch lei­ tenden Struktur, die den gesamten magnetischen Kreis erfassen, d.h. auch die Oberfläche 10 des zu prüfenden Werkstückes. Innerhalb deren Skintiefe werden dann Wirbelströme induziert, die zusammen mit dem statischen Magnetfeld des Permanentmagneten 9 oder dem niederfre­ quenten Magnetfeld der Elektromagnete 7 oder 8 abhängig von der Magnetfeldorientierung zur Oberfläche 10 auf­ grund von dynamischen Lorentzkräften und dynamischen magnetostriktiven Dehnungen Ultraschallwellen erzeugen, deren Frequenz der Frequenz der Wirbelströme ent­ spricht.

Der Spulenträger 1 mit seiner Kamm-Struktur befindet sich bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbei­ spiel im Feld des Elektromagneten 7, der aus einem Magnetjoch 18 und einer Erregerspule 19 besteht. Das Magnetjoch 18 ist im Querschnitt M-förmig, wobei die äußeren Bereiche 20, 21 den Nordpol und der zurückge­ zogene mittlere Bereich 22 den Südpol für das nieder­ frequente Magnetfeld bildet.

Der Elektromagnet 7 mit der Erregerspule 19 und dem Magnetjoch 18 erzeugt ein senkrecht zur Werkstoffober­ fläche 10 gerichtetes Magnetfeld mit der Induktion B ₀. Die zugeordneten Feldlinien 23 sind in Fig. 2 veran­ schaulicht.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel des elektrodynamischen Ultraschallwellenwandlers ist eine Erregerspule 24 auf einem U-förmigen Magnetjoch 25 vorgesehen. Die Erregerspule 24 befindet sich auf dem parallel zur Oberfläche 10 des Werkstückes verlaufenden Mittelteil 26 des Magnetjoches 25, während die beiden Schenkel 27 und 28 entgegengesetzte Magnetpole bilden. Aus diesem Grunde erzeugt der Elektromagnet 8 bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ein pa­ rallel zur Oberfläche 10 des Werkstückes gerichtetes Magnetfeld. Die Feldrichtung im Werkstück ist in Fig. 3 durch einen Pfeil 29 veranschaulicht. Die Erregerspule 24 ist wie die Erregerspule 19 an einen vom Hochfre­ quenz-Impulsgenerator 11 getrennten Niederfrequenz- Wechselstromgenerator oder einem Gleichstromgenerator angeschlossen.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des elektrodyna­ mischen Ultraschallwellenwandlers mit dem Permanent­ magneten 9 dargestellt, der ein rechtwinklig zur Ober­ fläche 10 des Werkstückes gerichtetes Magnetfeld mit der Induktion B ₀ erzeugt, dessen Feldrichtung durch Pfeile 30 veranschaulicht ist.

Wie man in den Fig. 1 bis 4 erkennt, haben die Stirnseiten 38 der Leisten 17 nur einen geringen Ab­ stand von der Oberfläche 10 des Werkstückes, während die Hochfrequenzspulen 2 bis 6 jeweils einen großen Abstand zur Oberfläche 10 des Werkstückes haben. Durch die Verwendung des magnetisch gut leitenden Spulen­ trägers 1 ergibt sich trotz des verhältnismäßig großen Abstands der Hochfrequenzspulen 2 bis 6 sowohl beim Aussenden von Ultraschall als auch beim Empfang von Ultraschall ein guter Wirkungsgrad, ohne daß die Hoch­ frequenzspulen 2 bis 6 direkt auf der Oberfläche 10 aufsitzen oder durch Rauhigkeiten der Oberfläche 10 verletzt werden können.

Der Spulenträger 1 aus magnetisch gut und elektrisch schlecht leitendem Material hat vorzugsweise eine hohe Sättigungsinduktion und geringe Längsmagnetostriktion. Im Sendefall werden die Hochfrequenzspulen 2 bis 6 von dem Hochfrequenzgenerator 11 mit Hochfrequenz-Strom­ impulsen der Frequenz der Ultraschallwelle gespeist. Im Empfangsfall sind die Hochfrequenzspulen 2 bis 6 an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Signalverar­ beitungselektronik angeschlossen.

Während bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungs­ beispiel des Spulenträgers 1 fünf Leisten 17 und vier Nuten 14 dargestellt sind, sind bei dem Spulenträger 1 gemäß den in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Aus­ führungsbeispielen lediglich jeweils drei Nuten 14 und vier Leisten 17 vorhanden. Der Spulenträger 1 weist mindestens zwei Leisten 17 auf, deren Abstand einer halben Spurwellenlänge der anzuregenden Ultraschall­ welle entspricht. Auch die Hochfrequenzspulen 2 bis 5 in den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 2 bis 4 sind so auf die Leisten 17 oder Zähne des Spulenträgers 1 gewickelt, daß der Wicklungssinn benachbarter Hoch­ frequenzspulen 2 bis 5 alterniert. Die Hochfrequenz­ spulen 2 bis 5 sind so miteinander verbunden, daß sie von demselben Strom durchflossen sind.

Aufgrund der physikalischen Verhältnisse ergibt sich, daß bei einer Orientierung der Längsseite der Leisten 17 oder Kammzähne rechtwinklig zur Richtung eines horizontal zur Oberfläche 10 des Werkstückes verlau­ fenden statischen, niederfrequenten oder gepulsten Magnetfeldes sowie bei rechtwinklig zur Oberfläche 10 des Werkstückes gerichtetem Verlauf dieses den Spulen­ träger 1 durchsetzenden Magnetfeldes in Einfallsebene polarisierte Transversalwellen (SV-Wellen) sowie Rayleigh-Wellen angeregt werden. Bei einer Orientierung der Längsseite der Leisten 17 oder Kammzähne parallel zur Richtung eines horizontal zur Oberfläche 10 des Werkstückes verlaufenden Magnetfeldes werden recht­ winklig zur Einfallsebene polarisierte Transversal­ wellen erzeugt.

Die Kamm-Struktur des Spulenträgers 1 kann mit Hilfe von dünnen Blechen, z. B. Schittbandkernen aus hochpermeablem Material geringer elektrischer Leitfähigkeit oder aus pulvermetallurgischen Massekern-Materialien erstellt werden.

Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität können die durch die Nuten 14 gebildeten Zwischenräume zwischen den Leisten 17 mit dielektrischen verschleißarmen Materialien aufgefüllt werden. Es ist jedoch auch möglich, den durch die Nuten 14 gebildeten Hohlraum allseitig wasserdicht abzuschließen, um auf diese Weise die Nuten 14 selbst oder innerhalb der Nuten 14 ver­ legte Rohrleitungen als Kühlkanäle bei Hochtemperatur­ anwendungen zu nutzen.

In Fig. 5 sind Teile eines Spulenträgers 1 dargestellt, der es gestattet den Sender und Empfänger ineinander zu verschachteln, wobei diese einen Abstand von einem Viertel der Wicklungsperiode haben. Man erkennt in Fig. 5 eine erste Platte 46 mit ersten Leisten 47 sowie eine zweite Platte 48, an der zweite Leisten 49 entsprechend den Leisten 17 der Platte 16 angeordnet sind. Wie man in Fig. 5 erkennt, ragen jedoch die ersten Leisten 47 und die zweiten Leisten 49 in Längsrichtung jeweils über die erste Platte 46 bzw. die zweite Platte 48 hinaus, so daß die zweiten Leisten 49 die erste Platte 46 und die ersten Leisten 47 die zweite Platte 48 untergreifen können. Zum Zusammensetzen des ineinander verschachtelten Spulenkörpers 1 ist es erforderlich, die zweite Platte 48 mit den zweiten Leisten 49 in Richtung des Pfeiles 40 zu verschieben bis die zweite Platte 48 mit ihrem in Fig. 5 nach hinten weisenden Rand gegen den in Fig. 5 nach vorne weisenden Rand der ersten Platte 46 zur Anlage kommt. Die erste Platte 46 und die zweite Platte 48 bilden dabei eine gemeinsame Platte, die von oben gegen die ersten Leisten 47 und die zweiten Leisten 49 anliegt, die jeweils mit Sende­ spulen und Empfangsspulen umwickelt sind.

Claims (8)

1. Elektromagnetischer Ultraschallwellenwandler mit einem Magneten zur Erzeugung eines parallel oder rechtwinklig zur Oberfläche eines elektrisch leitenden Werkstücks ausgerichteten statischen oder niederfrequenten Magnetfeldes und mit einer im Magnetfeld des Magneten befindlichen Hochfrequenzspulenanordnung, die zum Senden von Ultraschall an den Ausgang eines Hochfrequenzgenerators und zum Empfangen von Ultraschall an den Eingang eines Signalempfangsverstärkers anschließbar ist, und aus mehreren Hochfrequenzspulen mit zur Werkstücksoberfläche parallelen Wicklungsebenen besteht, die auf einem Spulenträger aus einem elektrisch schlecht leitenden Material mit wenigstens zwei parallel verlaufenden Leisten mit für benachbarte Hochfrequenzspulen jeweils alternierendem Wicklungssinn aufgewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenträger (1) aus einem magnetisch gut leitenden Material hergestellt ist und daß die Hochfrequenzspulen (2-6) gegenüber den Stirnseiten (38) der Leisten (17) zurückversetzt in zwischen den Leisten (17) gebildeten Nuten (14) liegen, die mit dielektrischen verschleißarmen Materialien aufgefüllt sind.

2. Elektromagnetischer Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenträger (1) aus dünnen Blechen, insbesondere Schnittbandkernen, hergestellt ist.

3. Elektromagnetischer Ultraschallwellenwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenträger (1) aus hochpermeablem Material hergestellt ist.

4. Elektromagnetischer Ultraschallwellenwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenträger (1) aus pulvermetallurgischen Massekern-Materialien hergestellt ist.

5. Elektromagnetischer Ultraschallwellenwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Spulenträgers (1) eine geringe Längsmagnetostriktion aufweist.

6. Elektromagnetischer Ultraschallwellenwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Leisten (17) einer halben Spurwellenlänge der anzuregenden Ultraschallwellenlänge entspricht.

7. Elektromagnetischer Ultraschallwellenwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Senden und Empfangen getrennte Hochfrequenzspulen vorgesehen sind, die ineinander verschachtelt sind und einen Abstand von einem Viertel der Wicklungsperiode haben (Fig. 5).

8. Elektromagnetischer Ultraschallwellenwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (14) zwischen den Leisten (17) in Richtung auf die Stirnflächen (38) wasserdicht abgeschlossen sind und als Kühlkanäle für Hochtemperaturanwendungen ausgebildet sind.