DE3709143A1 - Verfahren und vorrichtung zur zerstoerungsfreien pruefung ferromagnetischer koerper mittels magnetisierung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung ferromagnetischer, länglicher Körper auf Gefügestörungen mittels Magnetisierung des jeweiligen Körpers, in dem die Gefügestörungen Veränderungen des Magnetfeldverlaufs hervorrufen, die von an oder nahe an der Körperoberfläche angeordneten, magnetischen Gradientensonden erfaßt werden, die senkrecht zur Prüflingsoberfläche und zur Hauptmagnetisierungsrichtung angeordnet sind.

Magnetische Prüfverfahren zählen zu den ältesten zerstörungsfreien Prüfverfahren und haben bei der Prüfung von ferritischen Materialien große Bedeutung erlangt. Es existiert eine breite Palette von Prüfgeräten mit Pulver, Spulen oder Hallgeneratoren als Sensorelemente. Eine Eigenschaft der magnetischen Prüfung ist allerdings, daß die Richtung des erregenden Magnetfelds möglichst senkrecht zu der Fehlerlage sein sollte.

Zum zerstörungsfreien Prüfen ferromagnetischer Rohre werden Prüfeinrichtungen verwendet, die ein Paar von Elektromagneten enthalten, zwischen deren Polschuhen die Rohre hindurchbewegt werden. Die Elektromagneten erzeugen in den Rohren jeweils ein transversal zur Bewegungsrichtung verlaufendes Magnetfeld. Ferner enthalten die Prüfeinrichtungen jeweils zwei Spulen, die im Abstand voneinander die Rohre konzentrisch umgeben. Die mit Strom versorgten Spulen erzeugen in den Rohren jeweils ein longitudinales Magnetfeld. Nahe an der Oberfläche des jeweiligen Rohres sind Magnetfelddetektoren an solchen Stellen angeordnet, an denen im Rohr sowohl das transversale als auch das longitudinale magnetische Feld verläuft.

Durch die beiden orthogonal zueinander verlaufenden Magnetfelder sollen Gefügefehler unabhängig von ihrer Richtung in den Rohren festgestellt werden.

Mit zwei orthogonal zueinander angeregten Magnetfeldern können beliebig orientierte Fehler im Prüfkörper detektiert werden, wobei sich je nach der Fehlerrichtung Unterschiede in der Signalhöhe an den Anschlüssen des Magnetfeldsensors ergeben.

An glatten Rohren lassen sich hierdurch Fehler ohne Schwierigkeiten erkennen. An den Rohrenden können die Prüfungen jedoch nicht vollständig durchgeführt werden, da der magnetische Fluß mindestens des longitudinalen Magnetfeldes nicht mehr in der notwendigen Höhe zur Verfügung steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, daß Gefügefehler unabhängig von ihrer Lage im Körper mit großer Empfindlichkeit festgestellt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens zwei Elektromagneten, die einen gemeinsamen oder nebeneinander angeordnete Schenkel aufweisen, mit ihren anderen Schenkeln unter einem von 180° verschiedenenen Winkel versetzt zueinander angeordnet sind, daß jeweils mindestens in der Mitte zwischen den Enden der Schenkel die Gradientensonden angeordnet sind und daß die Spulen der Elektromagneten mit einer Schalteinrichtung verbunden sind, die wechselweise die Spulen an eine Energiequelle anschließt. Eine derartige Vorrichtung läßt sich raumsparend ausbilden. Die länglichen Körper können auch an ihren Enden im gleichen Arbeitsgang auf Fehler untersucht werden. Über die Auswahl der Querschnitte der Schenkel der Elektromagneten und der Erregerströme bzw. Erregerfrequenzen ist eine Anpassung der Vorrichtung an die jeweilige Prüfaufgabe möglich. Damit wird die magnetische Feldstärke und die Eindringtiefe des Magnetfeldes eingestellt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform haben fünf Elektromagneten, zwischen deren Schenkeln mindestens eine Gradientensonde angeordnet ist, einen gemeinsamen oder nebeneinander angeordnete Schenkel, wobei die freien Schenkel jeweils im gleichen Abstand voneinander angeordnet sind und wobei die Spulen der Elektromagneten nacheinander in der gleichen Reihenfolge mit Betriebsstrom beaufschlagbar sind. Ein Prüfkopf mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau ermöglicht die Feststellung von Gefügefehlern mit sehr geringer Richtungsabhängigkeit. Der Winkel zwischen der optimal detektierbaren und der am wenigsten detektierbaren Lage eines Fehlers ist in diesem Fall maximal 36°.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Spulen der Elektromagneten mit einer Schrittmotorsteuerung verbunden sind, die eingangsseitig an eine Datenverarbeitungseinrichtung für die Vorgabe von Frequenz- und Stromwerten angeschlossen ist.

Vorzugsweise sind die Gradientensonden über Streufluß-Sende­ und Empfangskanäle mit der Datenverarbeitungseinrichtung für die Kompensation, Korrektur sowie den Schwellwertvergleich der Meßwerte verbunden.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung ferromagnetischer Rohre in perspektivischer Ansicht, teilweise im Schnitt,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine andere Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung ferromagnetischer Rohre,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linien 1/1 der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Verarbeitung der Meßwerte und zur Stromversorgung der Spulen der Elektromagneten der in Fig. 2 und 3 dargestellten Vorrichtung.

Eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung ferromagnetischer Rohre (1) enthält ein Magnetisierungssystem aus zwei gleichen Elektromagneten (10), (12), die jeweils aus einem U-Kern aus Magnetblech bestehen. Auf dem Joch (16) jedes Elektromagneten (10), (12) befindet sich eine Spule (18) als Erregerwicklung. Mindestens in der Mitte zwischen den beiden Schenkeln (20), (22) der Elektromagneten (10), (12) sind jeweils Gradientensensoren (24) angeordnet, die vorzugsweise als Hallsonden ausgebildet sind. Die Hallsonden sind mit ihren Schmalseiten nahe an der Oberfläche des Rohres angeordnet. Eine Gradientensonde besteht z.B. aus zwei übereinander angeordneten Hallgeneratoren, die ausgangsseitig an einen Differenzverstärker angeschlossen sind. Die Gradientensonden sind senkrecht zur Prüflingsoberfläche und zur Hauptmagnetisierungsrichtung des Magnetfeldes angeordnet. Es können mehrere Gradientensonden nebeneinander zwischen den Schenkeln (20), (22) angeordnet sein. Die Schenkel (20), (22) der beiden Elektromagneten (10), (12) sind nebeneinander so angeordnet, daß sie sich auf einer Seite berühren. Die Joche (16) verlaufen orthogonal zueinander, d.h. die Elektromagneten (10), (12) sind unter einem von 180° verschiedenen Winkel gegeneinander versetzt. Während die Elektromagneten (10), (12) stationär befestigt sind, wird das zu prüfende Rohr (1) während der Prüfung z.B. schraubenförmig an den Elektromagneten (10), (12) vorbeibewegt. Es ist auch möglich, das Rohr (1) mit einem Ring von Prüfeinrichtungen der in Fig. 1 dargestellten Art zu umgeben. Die Spulen (18) der Elektromagneten (10), (12) werden nacheinander abwechselnd mit einem Strom für die Erzeugung eines Magnetfeldes versorgt. Die Feldlinien der Magnetfelder verlaufen in den Schenkeln (20), (22) und überwiegen in der Wand des Rohres (1). Die Magnetfelder können so stark bemessen sein, daß die Rohrwand im Bereich zwischen den Schenkeln (20), (22) magnetisch gesättigt wird.

Zwischen den Schenkeln (20), (22) treten Streufelder auf, die in den Gradientensonden (24) Signale hervorrufen. Die Gradienten­ sonden (24) sind je an eine nachgeschaltete Auswerte- und Steuerschaltung angeschlossen, die später noch eingehender beschrieben wird.

An einem normalen, fehlerfreien Prüfling wird eine Messung ausgeführt, um die von den natürlichen Streufeldern hervorgerufenen Signale zu messen. Diese Signale werden beispielsweise unter Zuordnung zu bestimmten Oberflächen­ abschnitten des Rohrs (1) gespeichert, um sie bei einer späteren Messung verwenden zu können. Die Signale werden bei der Messung von Prüflingen, deren Beschaffenheit untersucht werden soll und die in Form und Material mit dem normalen Prüfling übereinstimmen, zur Kompensation und Korrektur der von den natürlichen Streufeldern erzeugten Signale benutzt.

Durch Risse, Lunker oder Löcher in den Rohrwänden wird der magnetische Widerstand stark erhöht. Ein Teil des Magnetfelds schließt sich nicht über die Risse, Lunker oder Löcher, sondern über die Luftstrecke außerhalb der äußeren bzw. inneren Rohroberfläche. Dieser Teil des Magnetfeldes wird von den Gradientensensoren erfaßt. Die Messung eines derartigen außerhalb der Rohroberfläche verlaufenden Feldes zeigt somit einen Materialfehler bzw. eine Gefügestörung in den Wänden des Rohres (1) an. Jeder Änderung des Streufeldes durch die Gefügefehler wird mit den Gradientensonden (24) erfaßt. Die Anpassung des jeweiligen Gradientensensors an die Prüfaufgabe erfolgt durch geeignete Wahl des Kernquerschnittes und der magnetischen Erregungsdaten wie Erregerstrom und Erreger­ frequenz. Mit diesen beiden Parametern läßt sich die optimale Feldstärke und Eindringtiefe einstellen.

Es besteht bei der in Fig. 1 dargestellten Prüfvorrichtung noch eine gewisse Richtungsabhängigkeit der gemessenen Fehlersignale von der Winkellage des Fehlers in bezug auf die Magnetfelder, die von den Elektromagneten (10), (12) erzeugt werden. Erhöht man die Zahl der Schenkel über N = 2 hinaus, so wird die Richtungsabhängigkeit immer geringer. Ein guter Kompromiß zwischen Aufwand und Meßwerteinbruch ist bei N = 5 erreicht. Der Winkel zwischen Optimum und extreme Ablage des Fehlers ist dann maximal 360°/2 N = 36°. Dies entspricht einer Fehlerhöhenvariation von theoretisch maximal 20%, was 1,8 dB Signalvariation entspricht. Dies ist ein in der Praxis akzeptabler Wert.

Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Prüfeinrichtung mit fünf Elektromagneten (26), (28), (30), (32), (34), die einen gemeinsamen Schenkel (36) aufweisen. Die Elektromagneten (26), (28), (30), (32), (34) sind mit ihren freien Schenkeln (38), (40), (42), (44) und (46) jeweils in gleichen Abständen voneinander angeordnet. Zwischen den Schenkeln (36), (38); (36), (40); (36), (42); (36), (44) und (36), (46) ist jeweils mindestens eine Gradientensonde (24) angeordnet. Die Spulen, die bei den Elektromagneten (26), (28), (30), (32) und (34) um die Schenkel (38), (40), (42), (44) und (46) gelegt sind, sind in Fig. 2 durch Kreise angedeutet, die mit (48), (50), (52), (54) und (56) bezeichnet sind. Der in Fig. 2 mit fünfeckigem Querschnitt ausgebildete Schenkel (36) kann auch einen runden z.B. kreisförmigen Querschnitt haben. Es ist auch möglich, die Prüfeinrichtung gemäß Fig. 1 bis 3 an die Krümmung des Rohres (1) anzupassen, in dem die nicht näher bezeichneten Polschuhe der Schenkel (20), (22), (36), (38), (40), (42), (44) und (46) sowie die Gradientensensoren (24) entlang der Oberfläche eines Zylinderabschnitts angeordnet sind, der in geringem Abstand dem Rohr (1) gegenübersteht. Die Polschuhe können hierbei zylinderabschnittsförmig ausgebildet sein.

In Fig. 4 ist schematisch ein fünfarmiger Prüfkopf (58) dargestellt, der den in Fig. 2 und 3 gezeigten Aufbau hat. Die Spulen (48) bis (56) sind jeweils an eine Schrittmotorsteuerung (60) angeschlossen, die die Spulen (48) bis (56) nacheinander abwechselnd an eine Betriebsspannung legt. Hierdurch wird im Prüfling ein magnetisches Drehfeld erzeugt. Die Schrittmotor­ steuerung (60) ist eingangsseitig an ein Taktregister (62) einer Datenverarbeitungseinrichtung (64), einem Rechner, verbunden. Das Taktregister (62) wird von der Datenverarbeitungseinrichtung (64) je nach den Erfordernissen der Prüfung mit Frequenz- und Stromwerten beaufschlagt. Die Gradientensonden (24) sind über Streufluß-Sende-Empfangskanäle (66) mit der Datenverarbeitungs­ einrichtung (64) verbunden. Jede Gradientensonde (24) ist z.B. an einen Differenzverstärker angeschlossen. Die Ausgänge der Differenzverstärker sind an Eingänge eines Multiplexers gelegt, der von der Datenverarbeitungseinrichtung (64) gesteuert wird. Dem Ausgang des Multiplexers ist ein Kompensationsverstärker, ein Differenzverstärker, nachgeschaltet, der über einen Analog/Digital-Umsetzer mit der Datenverarbeitungseinrichtung (64) verbunden ist. Die vorstehend erwähnte Anordnung setzt sich aus standardmäßigen Elementen zusammen und ist daher nicht im einzelnen dargestellt. Beispielsweise wird als Schrittmotorsteuerung (60) eine 5-Phasen-Konstantstrom-An­ steuerung NIC (Quintronic) der Firma Berger/Lahr, verwendet. Diese Schrittmotorsteuerung ist auf einem Datenblatt von Berger/Lahr, z.B. der Druckschrift zur D 250 Steuerkarte näher beschrieben. Die Streufluß-Sende-Empfangskanäle (66) haben vorzugsweise einen Aufbau, wie er in der DE-OS 34 46 015 oder der 34 46 615 näher beschrieben ist.

Die Datenverarbeitungseinrichtung (64) stellt während der Messung eines nicht fehlerbehafteten Prüflings die natürlichen Streuflußwerte der Gradientensonde (24) unter Zuordnung zu den Oberflächenabschnitten fest, falls nicht, wie bei Rohren, der Streufluß für alle Oberflächenabschnitte etwa gleich ist. Eine Zuordnung sowohl unterschiedlicher natürlicher Streuflüsse als auch von Fehler zu Oberflächenabschnitten ist mittels nicht dargestellter Lagegeber möglich, die die jeweilige Stellung des mit der Prüfeinrichtung (58) erfaßten Oberflächenabschnitts angeben. Die Lagegeber umfassen beispielsweise je einen für die Winkelstellung des Rohres (1) und einen für die Längsver­ schiebung. Die Werte des natürlichen Streuflusses werden für die spätere Prüfung von auf Fehler zu untersuchenden Rohren in der Datenverarbeitungseinrichtung (64) gespeichert.

Während der Prüfung von Rohren (1) auf Fehler werden der Datenverarbeitungseinrichtung (64) die digitalen Meßwerte zugeführt, die diese auf der Basis der gespeicherten Werte kompensiert und korrigiert, bevor sie einer Rückweisschwelle unterworfen werden. Für die Darstellung der Meßwerte ist ein Oszillograf (68) vorgesehen, der über einen Digital/Analog- Umsetzer (70) mit der Datenverarbeitungseinrichtung (64) verbunden ist, die die x-Ablenkspannungen erzeugt. Die Ablenkspannungen in y-Richtung werden von den Sende-Empfangs­ kanälen (66) abgegriffen. Die Meßwerte können auch auf einem Analogschreiber (72), der mit den Sende-Empfangs-Kanälen verbunden ist, oder einem an den Oszillografen (68) angeschlossenen Plotter (74) aufgezeichnet werden.

Während das zu prüfende Rohr (1) an der Prüfeinrichtung (58) vorbeibewegt wird, erhalten die Spulen (48) bis (54) nacheinander Betriebsspannungen im Takte einer von der Datenverarbeitungseinrichtung (64) vorgegebenen Frequenz. Es entsteht dabei im Rohr (1) ein schrittweise weiterbewegtes magnetisches Drehfeld, durch das die im Rohr (1) enthaltenen Fehler hindurchbewegt werden. Wird ein Fehler von dem schrittweise weiterbewegten Drehfeld erfaßt, entsteht ein Streufeld, dessen Richtung in Abhängigkeit vom Vektor des magnetischen Drehfeldes geändert wird. Durch die unter­ schiedliche Winkelposition der Gradientensonden (24) wird von mindestens einer der Sonden der vom Fehler verursachte Streufluß gemessen. Der Meßwert wird angezeigt und von der Datenverarbeitungseinrichtung (64) z.B. durch einen Schwellwertvergleich verarbeitet.

Mit den oben beschriebenen Vorrichtungen kann daher ein Verfahren ausgeübt werden, nach dem erfindungsgemäß ein schrittweise bewegtes magnetisches Drehfeld im Prüfling erzeugt wird. Durch die Relativbewegung zwischen Prüfling und Prüfkopf gelangen die im Prüfling enthaltenen Fehler in den Einfluß des Drehfeldes. In Abhängigkeit von der Winkelposition des schrittweise bewegten Drehfeldes entstehen aufgrund der Fehler Streuflüsse unterschiedlicher Richtung. Da die Gradientensonden (24) mit verschiedenen Richtungen angeordnet sind, werden in einer Gradientensonde oder in mehreren Gradientensonden die Streuflüsse gemessen, wodurch entsprechende Fehlersignale erzeugt werden.

Die festzustellenden Fehler sind z.B. Längs- bzw. Querrisse. Diese Risse haben eine gewisse Länge, z.B. 20 mm. Auf die Größe der festzustellenden Fehler wird die Dimension der jeweiligen Elektromagnete (10), (12) bzw. (26), (28), (30), (32), (34) und die Anzahl der Sonden abgestimmt. Falls ein Fehler, z.B bei der in Fig. 2 bis 4 dargestellten Anordnung, nur eine der Sonden (24) tangiert, wird er wegen seiner Abmessungen stärker von einer Nachbarsonde erfaßt. Die oben beschriebene Anordnung ergibt für die jeweiligen Fehler mehrere Meßwerte. Diese Eigenschaft wird vorzugsweise zur Unterdrückung von Stör­ signalen ausgenutzt. Bei vorgegebener Prüfgeschwindigkeit und vorgegebenen Abständen der Sensoren wird zweckmäßigerweise eine Filterbank eingesetzt, mit der die Mehrfachanzeigen zur Störunterdrückung verwendet werden.

Die oben beschriebenen Vorrichtungen eignen sich nicht nur zur Prüfung von Rohrenden, sondern auch für plane Werkstücke, z.B. Bleche und Rohre mit großen Durchmessern.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung ferromagnetischer, länglicher Körper auf Gefügestörungen mittels Magnetisierung des jeweiligen Körpers, in dem die Gefügestörungen Veränderungen des Magnetfeldverlaufs hervorrufen, die von an oder nahe an der Körperoberfläche angeordneten, magnetischen Gradientensonden erfaßt werden, die senkrecht zur Prüfungsoberfläche und zur Hauptmagnetisiserungsrichtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Elektromagnete (10, 12), die einen gemeinsamen oder zwei nebeneinander angeordnete Schenkel (20, 22) aufweisen, unter einem von 180° verschiedenen Winkel versetzt zueinander angeordnet sind, daß jeweils mindestens in der Mitte zwischen den Enden der Schenkel (20, 22) die Gradientensonden (24) angeordnet sind und daß die Spulen (18) der Elektromagnete (10, 12) mit einer Schalteinrichtung verbunden sind, die wechselweise die Spulen (18) an eine Energiequelle anschließt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß fünf Elektromagnete (26, 28, 30, 32, 34), zwischen deren Schenkeln (36, 38, 40, 42, 44, 46) mindestens je eine Gradientensonde (24) angeordnet ist, einen gemeinsamen oder nebeneinander angeordnete Schenkel (36) haben, daß die freien Schenkel (38 bis 46) jeweils in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind und daß die Spulen (48, 50, 52, 54, 56) der Elektromagnete nacheinander in der gleichen Reihenfolge mit Betriebsstrom beaufschlagbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (48 bis 56) der Elektromagnete (26 bis 34) mit einer Schrittmotorsteuerung (60) verbunden sind, die ein­ gangsseitig an eine Datenverarbeitungseinrichtung (64) für die Vorgabe von Frequenz- und Stromwerten angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientensonden (24) über Streufluß-Sende- und Empfangskanäle (66) mit der Datenverarbeitungseinrichtung für die Kompensation, Korrektur sowie den Schwellwertvergleich der Meßwerte verbunden sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe der Elektromagnete (26 bis 34) und die Anordnung der Gradientensonden (24) dem Verlauf der Oberfläche der zu prüfenden Körper angepaßt ist.

6. Verfahren zur Durchführung mit einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im jeweils zu prüfenden Körper ein schrittweises magnetisches Drehfeld erzeugt wird, dessen Vektor schrittweise innerhalb einer vorgebbaren Periode seine Richtung gegenüber Gradientensonden (24) ändert.