DE3705016C2

DE3705016C2 -

Info

Publication number: DE3705016C2
Application number: DE3705016A
Authority: DE
Inventors: Shoji Kobe Jp Nasu; Yoshiro Higashiosaka Osaka Jp Nishimoto; Hiroaki Kobe Jp Yasukuni; Masayoshi Miki Hyogo Jp Iwasaki
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1986-02-18
Filing date: 1987-02-17
Publication date: 1992-07-09
Also published as: US4823082A; FR2594532A1; DE3705016A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Signalverarbeitungsverfah ren und einen Wirbelstrom-Fehlerstellendetektor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 29 13 877 A1 ist ein Verfahren zur Signalverar beitung bei einer Wirbelstrommessung bekannt, bei dem ein Meßobjekt einer elektromagnetischen Induktion mit mehreren verschiedenen Meßfrequenzen unterzogen wird, um Phasenmeßsi gnale zu erhalten. Die Phasenmeßsignale entsprechen jeweili gen Zuständen des Meßobjektes. Die Anzahl der Phasenmeßsi gnale entspricht dabei höchstens der doppelten Anzahl der verschiedenen Meßfrequenzen. Aus den Phasenmeßsignalen werden Parameter wie z. B. Produktionsfehler in dem Meßobjekt, ermit telt. Dazu werden Änderungen der Phasenmeßsignale festge stellt und mit Schwellenwerten verglichen, die eine noch zu lässige Abweichung von dem fehlerfreien Zustand des Meßob jekts oder des Zustandes von Betriebsparametern darstellen.

Ferner wird gemäß der GB-PS 9 99 917 ein Bezugsmeßobjekt ver wandt, um über einen Nullabgleich Meßsignale zu erhalten, die zur Überwachung des Zustandes des Meßobjektes dienen.

Des weiteren ist der DE 27 39 873 zu entnehmen, wie bei der Wirbelstrommessung Frequenzänderungen im Multiplexverfahren erzeugt werden.

Bei den bekannten Verfahren ist insbesondere, wenn sich Stör größen dem einen Fehler darstellenden Meßsignal überlagern und damit deren Signalleistung größer als diejenige des Meß signals ist, die Detektion des Fehlersignals schwierig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß eine zu ermittelnde Zielgröße zuverlässig überwacht wird, auch wenn sich Störfaktoren stärker auf die elektromagnetische Induktion auswirken als der Faktor der zu ermittelnden Zielgröße.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Auf diese Weise wird ein Verfahren zur Signalverarbeitung bei einer Wirbelstrommessung geschaffen, bei der die umständliche Vorbereitung, nämlich das vorherige Ermitteln des Phasenwin kels für einen jeweiligen Faktor und das Einstellen der er zielten Daten in der Koordinatendreheinheit, entfällt. Das Verfahren zur Signalverarbeitung gemäß den Ausführungsbei spielen ermöglicht daher eine beträchtlich vereinfachte Prü fung oder Messung.

In den Unteransprüchen 2 bis 5 sind vorteilhafte Ausgestal tungen der Erfindung gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ist eine Blockdarstellung einer Einrichtung für die Si gnalverarbeitung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm der Signalverarbeitung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 3(a) und 3(b) Darstellungen der Signalverläufe von Ausgangssignalen bei der Signalverarbeitung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 eine Blockdarstellung einer Einrichtung für die Si gnalverarbeitung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 eine Blockdarstellung zur Erläuterung des Schaltungs aufbaus eines dritten Ausführungsbeispiels des Wirbelstrom- Fehlerstellendetektors,

Fig. 6 eine graphische Darstellung, die den Vorgang einer Ausgangssignaleinstellung an dem Wirbelstrom-Fehlerstellende tektor veranschaulicht,

Fig. 7 Signalverläufe von Ausgangssignalen des Wirbelstrom- Fehlerstellendetektors,

Fig. 8 eine Blockdarstellung, die eine Abwandlung des Wirbel strom-Fehlerstellendetektors gemäß dem dritten Ausführungs beispiel veranschaulicht und

Fig. 9 bis 11 graphische Darstellungen zur Erläuterung der bekannten Verfahren.

Ausführungsbeispiel 1

Die Fig. 1 zeigt eine Blockdarstellung einer Einrichtung für die Anwendung des Signalverarbeitungsverfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 2 ein Ablaufdiagramm der Signalverarbeitung in der Einrichtung und Fig. 3(a) und 3(b) zeigen die Signalverläufe von Signalen in der Einrich tung.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Warm-Fehlerstellenermittlung beschrieben, bei der die Wirbelstrommessung bzw. -prüfung dazu verwendet wird, bei dem Strangguß eine Fehlerstelle einer Metallplatte bzw. Bramme im Rohguß zu ermitteln, während die Bramme im rotglühenden Zustand ist.

Gemäß Fig. 1 ist eine gezogene Strangguß-Bramme 3 mit Wellenmarken bzw. Kerben 5 versehen und hat eine Oberflächen- Fehlerstelle 4, die den Zielfaktor darstellt. Nahe der Oberfläche der Bramme 3 wird ein Meßkopf 6 derart angeordnet, daß ein durch eine (nicht gezeigte) Spule fließender Wechselstrom mit zwei Frequenzen, nämlich einer hohen und einer niedrigen Frequenz in der Bramme 3 einen Wirbelstrom hervorruft.

In diesem Fall bilden Änderungen einer Höhe bzw. eines Meßabstands A der Sonde 6 sowie die Kerben 5 jeweils Störfaktoren. Die Fehlerstelle 4, die Änderungen des Meßabstands A und die Kerben 5 sind voneinander unabhängige Ereignisse. Da das Meßobjekt die Strangguß-Bramme 3 im Gußzustand ist, hat die Oberfläche viele Wellen, wogegen infolge der kürzlichen Verbesserungen der Verfahrenstechnik nur wenige Oberflächen-Fehlerstellen 4 auftreten; daher werden die Fehlerstellen unter der Voraussetzung ermittelt, daß Signaländerungen im Vergleich mit den durch die Fehlerstelle 4 des Meßobjekts entstehenden Änderungen hauptsächlich durch die Schwankungen des Meßabstands A und durch die Kerben 5 verursacht werden.

Dem Meßkopf 6 ist ein Doppelfrequenz-Wirbelstrom-Fehlerstellendetektor 7 nachgeschaltet, in dem am Meßsignal aus dem Meßkopf 6 eine Verstärkung und Phasenerfassung vorgenommen wird, um analoge Phasenmeßsignale a zu erhalten, nämlich H_x und H_y für die hohe Frequenz und L_x und L_y für die niedrige Frequenz. Die analogen Phasenmeßsignale werden in einem A/D- Wandler 8 in digitale Signale umgesetzt und als digitale Phasenmeßsignale b ausgegeben, welche in einem als nächste Stufe nachgeschalteten Computer 9 verarbeitet werden, um dadurch ein Fehlerstellensignal c zu erhalten, das dem Zielfaktor, nämlich der Oberflächen-Fehlerstelle 4 entspricht. Die Signalverarbeitung in dem Computer 9 erfolgt gemäß dem Ablaufdiagramm in Fig. 2.

Als nächstes wird die Ausführung des Signalverarbeitungsverfahrens unter Anwendung der vorstehend beschriebenen Einrichtung erläutert.

(1) Während des Beförderns der Bramme 3 bei dem Strangguß wird mit dem Meßkopf 6, dem Wirbelstrom-Fehlerstellendetektor 7 und dem A/D-Wandler 8 eine Vielzahl der digitalen Phasenmeßsignale b in einem festen Intervall abgefragt und zum Einspeichern nacheinander in den nachgeschalteten Computer 9 eingegeben.
(2) Bei einem ersten Schritt 10 der in dem Computer 9 programmierten logischen Verarbeitung werden die an einer Vielzahl von Meßpunkten erhaltenen Daten, nämlich die in dem Speicher gespeicherten digitalen Phasenmeßsignale b aufgenommen, um eine Varianz/Kovarianz-Matrix in bezug auf die Gruppe der Meßpunkte zu erhalten.
D. h., wenn den in dem festen Intervall bzw. an der festen Strecke der Strangguß-Bramme 3 abgefragten digitalen N Phasenmeßsignalen b jeweils eine Nummer i im Bereich von io bis io + N - 1 zugeordnet wird, erhält man folgende Standardabweichung bzw. Varianz S₁₁ für L_x: Eine Varianz S₂₂ für L_y, eine Varianz S₃₃ für H_x und eine Varianz S₄₄ für H_y werden auf gleichartige Weise erzielt.
Eine Kovarianz S₁₂ für L_x und L_y ergibt sich aus: Auf gleiche Weise erhält man auch Kovarianzen S₁₃, S₁₄, S₂₃, S₂₄ und S₃₄ für L_x und H_x, L_x und H_y, L_y und H_x, L_y und H_y bzw. H_x und H_y. Aus diesen Ergebnissen wird folgende Varianz/Kovarianz-Matrix gebildet:
(3) Bei einem zweiten Schritt 11 der logischen Verarbeitung in dem Computer 9 werden aus der Varianz/Kovarianz-Matrix Richtungsvektoren von vier charakteristischen Werten folgendermaßen ermittelt: In einem vierdimensionalen Raum (L_x, L_y, H_x, H_y), der mit den Koordinatenachsen gebildet ist, die den jeweiligen digitalen Phasenmeßsignalen b zugeordnet sind, wird eine Richtung, in der die Varianz der Verteilung der Gruppe der Meßpunkte, nämlich der N abgefragten digitalen Phasenmeßsignale b maximal wird, als Richtung eines ersten charakteristischen Werts definiert und in dieser Richtung eine Koordinatenachse Z₁ festgelegt. Als nächstes wird in einem zur Koordinatenachse Z₁ im vierdimensionalen Raum vertikalen dreidimensionalen Raum eine Richtung, in der die Varianz der Verteilung der Gruppe der Meßpunkte maximal wird, als Richtung eines zweiten charakteristischen Werts definiert und in dieser Richtung eine Koordinatenachse Z₂ festgelegt. Danach wird in einer zu der Koordinatenachse Z₂ in dem dreidimensionalen Raum vertikalen zweidimensionalen Ebene eine Richtung, in der die Varianz der Verteilung der Gruppe der Meßpunkte maximal wird, als Richtung des dritten chrakteristischen Werts definiert und ein Einheitsvektor in dieser Richtung als Richtungsvektor des dritten charakteristischen Werts bestimmt, wonach dann in dieser Richtung eine Koordinatenachse Z₃ festgelegt wird. Eine zu der Koordinatenachse Z₃ senkrechte Richtung ist dann in der zweidimensionalen Ebene eindeutig bestimmt. In dieser Richtung wird eine Koordinatenachse Z₄ als Richtung eines vierten charakteristischen Werts festgelegt.
Die Aufeinanderfolge der Varianzen entspricht dem Ausmaß des Einflusses des jeweiligen Faktors auf die Wirbelstrommessung, das bei diesem Ausführungsbeispiel folgendermaßen bestimmt ist:
Meßabstandsänderung ≦λτ Kerbe 5 ≦λτ Fehlerstelle 4. Infolgedessen entspricht der dritte charakteristische Wert der Oberflächen-Fehlerstelle 4 des Meßobjekts.
Nimmt man an, daß die Eigenwerte der Varianz/Kovarianz-Matrix λ₁, λ₂, λ₃ und λ₄ in der absteigenden Ordnung der Werte sind, so entsprechen diese Eigenwerte dem ersten, dem zweiten, dem dritten und dem vierten charakteristischen Wert. Infolgedessen entspricht der aus diesen Werten als Varianz des dritten charakteristischen Werts gewählte Eigenwert λ₃ der Oberflächen- Fehlerstelle des Meßobjekts, so daß daher für den Eigenwert λ₃ ein Eigenvektor (l₃₁, l₃₂, l₃₃, l₃₄) bestimmt wird, nämlich der Richtungsvektor des dritten charakteristischen Werts erhalten wird.
(4) Bei einem dritten Schritt 12 der logischen Verarbeitung werden unter Zugrundelegen des durch die Analyse der primären Komponente herausgegriffenen Richtungvektors die dem festen Meßintervall zugeordneten Abfragedaten gelesen und in den Speicher eingespeichert, wonach der dritte charakteristische Wert ₃ fol gendermaßen ermittelt wird: ₃ = l₃₁L_x + l₃₂L_y + l₃₃H_x + l₃₄H_y (4)
(5) Bei einem vierten Schritt 13 der logischen Verarbeitung wird der auf diese Weise erhaltene dritte charakteristische Wert ₃ mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen. Wenn der dritte charakteristische Wert ₃ größer als der vorbestimmte Schwellenwert ist, wird der dritte charakteristische Wert ₃ als Fehlerstellensignal c bewertet, das aus dem Computer 9 ausgegeben wird.
Während des Ablaufs der logischen Verarbeitung werden über den Meßkopf 6, den Wirbelstrom-Fehlerstellendetektor 7 und den A/D-Wandler 8 aufeinanderfolgend die durch das Abfragen der Daten für die nächste feste Strecke der Strangguß-Bramme 3 erhaltenen Meßdaten in den Speicher des Computers eingegeben. Diese Daten werden während des nächsten Abfrageintervalls auf die vorstehend beschriebene Weise der logischen Verarbeitung unterzogen. Auf diese Weise wird fortgesetzt im wesentlichen in Echtzeit die Verarbeitung für die Fehlerstellenermittlung an der beförderten Strangguß-Bramme 3 ausgeführt.

Die Fig. 3(a) und 3(b) zeigen Signalverläufe von Signalen bei der Verarbeitung gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die Fig. 3(a) die ausgegebenen Phasenmeßsignale zeigt, während die Fig. 3(b) die Ausgangssignale der charakteristischen Werte zeigt. Aus diesen Darstellungen ist festzustellen, daß das Fehlerstellensignal durch den dritten charakteristischen Wert ₃ deutlich angezeigt wird. Verglichen mit einem Nutzsignal/Störsignal-Verhältniswert bzw. Störabstand S/N von (ungefähr) 1.2, der bei der Ermittlung der Fehlerstelle aus dem Signal H_y erreicht wird, ergibt sich bei dem Verfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Störabstand S/N von ungefähr 3.5, also ein stark verbesserter Störabstand, wodurch sich bestätigt, daß die Meßgenauigkeit beträchtlich verbessert ist.

Das Ausführungsbeispiel wurde zwar nur im Hinblick auf den Fall beschrieben, daß die Oberflächen-Fehlerstelle 4 der Strangguß-Bramme 3 als Meßobjekt ermittelt wird, jedoch ist das Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel nötigenfalls gleichermaßen durch die Auswertung des ersten charakteristischen Werts ₁ und des zweiten charakteristischen Werts ₂ in dem Fall anwendbar, daß andere Faktoren wie beispielsweise der Meßabstand A und die Wellenmarken bzw. Kerben 5 ermittelt werden.

Die Signalverarbeitung gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird zwar durch die Analyse der Primärkomponenten in dem vierdimensionalen Raum unter Anwendung zweier Frequenzen vorgenommen, sofern folgende zwei Bedingungen erfüllt sind:

(1) Jeder die Wirbelstrommessung beeinflussende Faktor ist ein unabhängiges Ereignis und
(2) es bestehen Unterschiede zwischen den jeweiligen Varianzen; dieses Verfahren kann jedoch durch die Primärkomponentenanalyse in dem mehrdimensionalen Raum unter Verwendung von mindestens zwei verschiedenen Frequenzen nicht nur zur Fehlerstellenermittlung an einem Meßobjekt, sondern naturgemäß auch zum Messen der physikalischen und geometrischen Größen wie der elektrischen Leitfähigkeit, der magnetischen Permeabilität, der Härte, der Dicke, der Form und des Abstands des Meßobjekts angewandt werden.

Ausführungsbeispiel 2

Die Fig. 4 ist eine Blockdarstellung einer Einrichtung, die bei dem Signalverarbeitungsverfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet wird.

Das Signalverarbeitungsverfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird im Zusammenhang mit der Einrichtung beschrieben. Gleiche Komponenten wie bei dem vorangehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht näher beschrieben.

(1) Eine Vielzahl von Meßdaten, nämlich digitalen Phasenmeßsignalen b′, die für eine jeweilige feste Strecke an der Strangguß-Bramme 3 in der Gußrichtung bzw. Längsrichtung abgefragt und in einen Speicher 15 eines Computers 14 eingespeichert werden, wird in einen Varianzzähler 16 eingegeben.
Andererseits wird dem Varianzzähler 16 aus einer Richtungswähleinrichtung 17 aufeinanderfolgend ein Richtungsvektor d (l₁, l₂, l₃, l₄) des vierdimensionalen Raums (L_x, L_y, H_x und H_y) zugeführt, der mit den Koordinatenachsen der jeweiligen Phasenmeßsignale in Hinsicht auf alle Richtungen gebildet ist. In dem Varianzzähler 16 wird die Varianz der durch die Gruppe der in dem festen Intervall der Abtastung unterzogenen Meßpunkte gebildeten Verteilung für jeden dermaßen zugeführten Richtungsvektor d berechnet, wonach ein damit erzieltes Ausgangssignal e in einem Vergleicher 18 mit einem Schwellenwert verglichen wird. Wenn das Ausgangssignal e den Schwellenwert übersteigt, wird ein Schaltglied 19 durchgeschaltet und das Ausgangssignal e aufeinanderfolgend bzw. seriell zu einem Varianzmaximum-Register 20 übertragen. In dem Varianzmaximum- Register 20 wird bei jeder Eingabe eines einen zuvor gespeicherten Wert übersteigenden Werts der Speicherinhalt auf den höheren Wert fortgeschrieben und als Schwellenwert für das nächste Ausgangssignal aus dem Varianzzähler 16 in den Vergleicher 18 eingegeben. Auf diese Weise wird als Richtungsvektor f (₁, ₂, ₃, ₄) mit der maximalen Varianz der Richtungsvektor gefunden, der dem Maximalwert entspricht, welcher schließlich in dem Varianzmaximum-Register 20 gespeichert ist.
Nimmt man an, daß in einer Richtung in dem vierdimensionalen Raum (L_x, L_y, H_x, H_y) eine neue Koordinatenachse Z_n festgelegt wird, so kann durch Verwendung des Richtungsvektors d (l₁, l₂, l₃, l₄) der Wert auf der Koordinatenachse Z_n folgendermaßen ausgedrückt werden: Z_n = l₁L_x + l₂L_y + l₃H_x + l₄H_y
(mit l₁ ² + l₂ ² + l₃ ² + l₄ ² = 1) (5)Wenn den an N Meßpunkten abgefragten Daten die Nummer bzw. Laufvariable i im Bereich von io bis io + N - 1 zugeordnet wird, kann auf die schon im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Weise die Varianz S der Daten in dem vorbestimmten Meßintervall in der Richtung der Koordinatenachse Z_n folgendermaßen ausgedrückt werden: Hierbei ist der Richtungsvektor mit dem Maximalwert der Varianz S der Vektor (₁, ₂, ₃, ₄)
(2) Der auf die vorstehend beschriebene Weise erhaltene Richtungsvektor f (₁, ₂, ₃, ₄) mit der maximalen Varianz wird dann zu einer Lineartransformationseinheit 21 übertragen, welche aufeinanderfolgend die in dem Speicher 15 gespeicherten Meßdaten ausliest, um den ersten charakteristischen Wert ₁ auf folgende Weise zu erhalten: ₁ = ₁L_x + ₂L_y + ₃H_x + ₄H_y (7)(3) Nachdem der erste charakteristische Wert ₁ ermittelt ist, wird von der Richtungswähleinrichtung 17 aufeinanderfolgend der Richtungsvektor hinsichtlich aller Richtungen in dem dreidimensionalen Raum zugeführt, der zu dem Richtungsvektor (₁, ₂, ₃, ₄) des ersten charakteristischen Werts ₁ in dem vierdimen sionalen Raum (L_x, L_y, H_x, H_y) orthogonal ist; dadurch wird auf die gleiche Weise wie bei dem vorangehenden Fall der zweite charakteristische Wert ₂ bestimmt. Auf gleichartige Weise werden durch das wiederholte Ausführen der vorstehend beschriebenen Verarbeitung der dritte und vierte charakteristische Wert ₃ und ₄ berechnet.
(4) Gemäß der Beschreibung im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht die Oberflächen-Fehlerstelle 4 des Meßobjekts dem dritten charakteristischen Wert ₃, so daß daher der dritte charakteristische Wert ₃ in einem Vergleicher 22 mit einem Schwellenwert g verglichen wird; falls der charakteristische Wert den Schwellenwert übersteigt, wird der dritte charakteristische Wert ₃ als Fehlerstel lensignal c aus dem Computer 14 ausgegeben.
Unter den in diesem Fall bestehenden Meßbedingungen entsprechen der erste charakteristische Wert ₁ und der zweite charakteristische Wert ₂ jeweils den Änderungen des Meßabstands A bzw. den Kerben 5, wie es schon im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.

Ausführungsbeispiel 3

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild, das als Ausführungsbeispiel eine Schaltungsanordnung eines Bereichs zeigt, der sich von dem Differential-Meßkopf bis zu dem zur Abgabe eines Differenzausgangssignals dienenden Schaltungsteil in dem Wirbelstrom-Fehlerstellendetektor erstreckt.

Gemäß diesem Schaltbild sind zu zwei Meßspulen 32a und 32b jeweils veränderbare Widerstände 33a bzw. 33b parallel geschaltet. Wenn die Widerstandswerte dieser veränderbaren Widerstände 33a und 33b auf geeignete Weise eingestellt werden, werden die Richtungen von Änderungen der Ausgangssignale der Meßspulen 32a und 32b derart gedreht, daß sie miteinander übereinstimmen. Den Meßspulen 32a und 32b sind jeweils über Vorverstärker 34a und 34b als nächste Stufe Phasenregler 35a und 35b nachgeschaltet. Durch das Einstellen dieser Phasenregler 35a und 35b können die Phasen mittels der Vorverstärker 34a und 34b verstärkten Ausgangssignale der Meßspulen 32a und 32b miteinander in Übereinstimmung gebracht werden. Ferner sind den Phasenreglern 35a und 35b jeweils als nächste Stufe Amplitudenregler 36a und 36b nachgeschaltet, durch deren Einstellung die Amplitudenwerte der Ausgangssignale der Meßspulen 32a und 32b miteinander in Übereinstimmung gebracht werden. Aus den Amplitudenreglern 36a und 36b werden die Ausgangssignale, die man erhält, wenn für Änderungen des Meßabstands die Ausgangssignal-Änderungsrichtungen, die Phasen und die Amplituden jeweils miteinander in Übereinstimmung gebracht sind, an die Eingänge eines Differenzverstärkers 37 angelegt, um damit die Differenz zwischen diesen beiden Eingangssignalen zu erhalten. Das Differenzausgangssignal des Differenzverstärkers 37 wird einer (nicht gezeigten) Signalverarbeitungsstufe im Hauptteil des Wirbelstrom-Fehlerstellendetektors zugeführt.

Fig. 6 veranschaulicht ein Vorgehen bei der Einstellung der Ausgangssignale der Meßspulen 32a und 32b des Fehlerstellendetektors.

Nach Fig. 6 zeigen für Ausgangssignale A und B der Meßspulen 32a und 32b jeweils vor der Einstellung die Richtungen der durch eine Änderung des Meßabstands hervorgerufenen Ausgangssignaländerungen einen geringfügigen Unterschied, was durch Pfeile a und b dargestellt ist. Bei der Einstellung wird beispielsweise der veränderbare Widerstand 33b an der Meßspule 32b so eingestellt, daß die Richtung der durch die Meßabstandsänderung verursachten Änderung des Ausgangssignals B auf die mit einem Pfeil b′ dargestellte Richtung festgelegt wird und daß die sich ergebende Richtung mit der durch den Pfeil a dargestellten Änderungsrichtung des Ausgangssignals A übereinstimmt. Zugleich wird mit dieser Einstellung das Ausgangssignal B auf ein Ausgangssignal B′ geändert. Als nächstes werden mittels der Phasenregler 35a und 35b die Phasen der Ausgangssignale A und B′ miteinander in Übereinstimmung gebracht, wodurch sich die Ausgangssignale A und B′ gemäß der Pfeile e und f in Fig. 6 ändern. Darüber hinaus werden mittels der Amplitudenregler 36a und 36b die Amplitudenwerte der Ausgangssignale A und B′ miteinander in Übereinstimmung gebracht, wodurch sich die Ausgangssignale A und B′ gemäß der Pfeile g und h in Fig. 6 ändern.

Durch wiederholtes mehrmaliges Einstellen werden die Ausgangssignale der beiden Meßspulen 32a und 32b miteinander zur Übereinstimmung hinsichtlich der Phase und Amplitude sowie auch hinsichtlich der Richtung der Ausgangssignaländerung bei einer Änderung des Meßabstands in Übereinstimmung gebracht. Bei dem vorstehend dargestellten Beispiel wird zwar der veränderbare Widerstand 33b eingestellt, jedoch kann auch der andere veränderbare Widerstand 33a eingestellt werden oder es können beide veränderbare Widerstände eingestellt werden.

Fig. 7 zeigt die bei der Warm-Fehlerstellenermittlung an einer Strangguß-Bramme 3 unter Anwendung dieses Systems erzielten Versuchsdaten als Ausgabekomponente in vertikaler Richtung auf einem Bildschirm, wobei die Signalverläufe mit dem Signalverlauf des Ausgangssignals eines herkömmlichen Detektors verglichen wird.

Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß im Vergleich mit dem in Fig. 7(a) gezeigten Signalverlauf des Ausgangssignals des herkömmlichen Detektors, das infolge der Meßabstandsänderung ein Störsignal enthält und damit hinsichtlich des Störabstands S/N verschlechtert ist, das Ausgangssignal des Detektors gemäß dem Ausführungsbeispiel mit dem in Fig. 7(b) gezeigten Signalverlauf kein durch die Meßabstandsänderung verursachtes Störsignal enthält, so daß daher der Störabstand S/N verbessert ist. Bei dem Vergleichsversuch ergab sich nämlich für eine Fehlerstelle mit einer Tiefe von 2 mm und einer Länge von 20 mm bei dem Meßausgangssignal des herkömmlichen Detektors ein Störabstand von 0,6, während bei dem Ausgangssignal des Detektors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Störabstand auf 3,5 verbessert war.

Hinsichtlich der Widerstände für das Einstellen der Richtung von durch die Meßabstandsänderung verursachten Änderungen des Ausgangssignals kann gemäß Fig. 8 das System derart gestaltet werden, daß an die Meßspule 32a ein Festwiderstand 33c angeschlossen wird und nur an die Meßspule 32b ein veränderbarer Widerstand 33b angeschlossen wird, welcher auf einen Wert in der Nähe des Widerstandswerts des Festwiderstands 33c einstellbar ist. Obgleich bei dem Ausführungsbeispiel die Parallelschaltung der Widerstände vorgesehen ist, besteht jedoch keine Einschränkung hierauf; vielmehr kann irgendeine Einrichtung verwendet werden, mit der auf geeignete Weise die Richtung einer der Meßabstandsänderung entsprechenden Ausgangssignalsänderung einstellbar ist. Auch in diesem Fall ist die gleiche Wirkung wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel erzielbar.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung entfällt bei der erläuterten Signalverarbeitung die bei dem herkömmlichen Verfahren erforderliche umständliche Vorbereitung vor einer Wirbelstrommessung, nämlich das vorherige Ermitteln eines Phasenwinkels für einen jeweiligen Faktor und das Einstellen der erzielten Daten in der Koordinatendreheinheit; die Signalverarbeitung gemäß den Ausführungsbeispielen ermöglicht daher eine beträchtlich vereinfachte Prüfung oder Messung.

Da ferner der einem jeweiligen Faktor entsprechende Phasenwinkel zwangsläufig durch die einschränkende Bedingung bestimmt ist, daß die Varianz der mit den in einem festen Meßintervall abzutastenden Meßpunkten gebildeten Verteilung maximal wird, kann der dem jeweiligen Faktor entsprechende Phasenwinkel ermittelt werden, sofern ein Unterschied zwischen den Varianzen der jeweiligen Faktoren besteht; dadurch wird die Genauigkeit der Ermittlung der Fehlerstelle und der Messung der physikalischen und geometrischen Größen in starkem Ausmaß verbessert. Insbesondere kann der Phasenwinkel durch das Heranziehen der Meßdaten für das Meßobjekt ermittelt werden, an dem die Fehlerstellenermittlung oder Messung tatsächlich ausgeführt wird; infolgedessen wird der Phasenwinkel nicht durch eine Änderung der Ermittlungs- oder Meßbedingungen beeinflußt, wodurch die Ermittlungs- bzw. Meßgenauigkeit weiter verbessert wird. Darüber hinaus können alle die elektromagnetische Induktionsmessung bzw. Wirbelstrommessung beeinflussenden Faktoren voneinander unterschieden werden, was beispielsweise dazu führt, daß gleichzeitig mehrere Arten von Größen gemessen werden können.

Mit dem Wirbelstrom-Fehlerstellendetektor gemäß dem Ausführungsbeispiel können für Meßabstandsänderungen nicht nur die Phasen und Amplituden der Ausgangssignale zweier Meßspulen eines Differential-Meßkopfs, sondern auch die Richtungen der Änderung der Ausgangssignale miteinander in Übereinstimmung gebracht werden, so daß daher ein durch die Meßabstandsänderung verursachtes Störsignal vollständig aus dem Meßausgangssignal ausgeschieden werden kann, wodurch der Störabstand S/N verbessert wird und auch eine sehr kleine Fehlerstelle auf einfache Weise erfaßt werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Signalverarbeitung bei einer Wirbelstrom messung, bei der ein Meßobjekt einer elektromagnetischen Induktion mit N verschiedenen Meßfrequenzen unterzogen wird, um M verschiedene Phasenmeßsignale zu erhalten, die jeweiligen Zuständen des Meßobjekts entsprechen, wobei N größer oder gleich "1" ist und M kleiner oder gleich 2N ist, da durch gekennzeichnet, daß

a) in fest vorgegebenen Meßabschnitten des Meßobjekts die Phasenmeßsignale einer Anzahl von Meßpunkten unter der Voraussetzung abgetastet werden, daß n verschiedenartige Störfaktoren mit n<M vorliegen, von denen ein zu der Wir belstrommessung beitragender Anteil in dem jeweiligen Meßabschnitt eine Varianz der Phasenmeßsignale hat, die größer als die Varianz der Phasenmeßsignale einer zu der Wirbelstrommessung beitragenden zu ermittelnden Zielgröße in diesem Meßabschnitt ist,
b) in einem M-dimensionalen Raum, der mit Koordinatenachsen gebildet ist, welche den M verschiedenen Phasenmeßsignalen zugeordnet sind, eine erste Koordinatenachse Z₁ in einer Richtung festgelegt wird, in der die Varianz der Phasenmeßsignale (b) maximal wird, in einem zu der Koordinatenachse Z₁ des mehrdimensionalen Raums ortho gonalen Raum eine zweite Koordinatenachse Z₂ in einer Richtung bestimmt wird, in der die Varianz der Phasenmeß signale maximal wird, danach auf gleichartige Weise eine dritte Koordinatenachse Z₃, eine vierte Koordinatenachse Z₄ . . . und eine M-te Koordinatenachse Z_M bestimmt werden und
(c) beruhend auf den Koordinaten jedes Meßpunkts von der Koordinatenachse Z_{n + 1} ausgehend eine Messung ausgeführt wird, wodurch als Zielgröße eine vorhandene oder fehlende Fehlerstelle, eine physikalische Größe und/oder eine geo metrische Größe an der Oberfläche des Meßobjekts oder in deren Nähe ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Festlegen der Koordinatenachsen Z₁, Z₂, Z₃, . . . Z_M eine Varianz/Kovarianz-Matrix gebildet wird, die aus den den abgetasteten Meßpunkten entsprechenden Phasenmeßsignalen zusammengestellt ist, und die Koordinatenachsen Z₁, Z₂, Z₃, . . . Z_M in der Weise festgelegt werden, daß sie Eigen vektoren entsprechen, welche Eigenwerten λ₁, λ₂, λ₃, . . . λ_M der Varianz/Kovarianz-Matrix zugeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Festlegen der Koordinatenachsen Z₁, Z₂, . . . Z_M die Varianz der Phasenmeßsignale aufeinanderfolgend in allen Rich tungen des M-dimensionalen Raums unter Verwendung eines Vari anzzählers ermittelt wird, dem einerseits die Phasenmeßsi gnale und andererseits aus einer Richtungswähleinheit aufein anderfolgend ein Richtungsvektor des M-dimensionalen Raums zugeführt wird, wobei eine Koordinatenachse Z₁ im M-dimensio nalen Raum festgelegt wird, in der die Varianz maximal wird, eine Koordinatenachse Z₂ im zum M-dimensionalen Raum vertika len (M-1)-dimensionalen Raum in einer Richtung festgelegt wird, in der die Varianz maximal wird, . . . und eine Koordina tenachse Z_M im zum 2-dimensionalen Raum vertikalen 1-dimen sionalen Raum in einer Richtung festgelegt wird, in der die Varianz maximal wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an oder nahe der Oberfläche eines in Strangguß hergestellten Stahlteils als Zielgröße eine Fehlerstelle unter Anwendung zweier verschiedener Frequen zen mit einer niedrigen und einer hohen Frequenz ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß an oder nahe der Oberfläche eines in Strangguß hergestellten Stahlteils als Zielgröße eine Fehlerstelle unter Verwendung einer einzigen Frequenz ermittelt wird.

6. Wirbelstrom-Fehlerstellendetektor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, bei dem Impedanzwerte zweier Spulen eines Differentialmeßkopfs als Ausgangssignale abgegeben und eine Fehlerstelle an der Ober fläche oder nahe der Oberfläche des Meßobjekts aus einer Dif ferenz zwischen den Ausgangssignalen ermittelt wird, gekenn zeichnet durch eine Phaseneinstelleinrichtung (35) für das Einstellen der Phasen der Ausgangssignale der beiden Spulen (32), eine Amplituden-Einstelleinrichtung (36) für das An gleichen der Amplitudenwerte der Ausgangssignale der beiden Spulen (32) und eine Richtungseinstelleinrichtung (33) für das Angleichen der Richtungsänderungen in der Impedanzebene der beiden Spulen (32) entsprechend den Abstandsänderungen zwischen den Spulen (32) und der Oberfläche des Meßobjekts.