DE3802073C2

DE3802073C2 - In Umfangsrichtung kompensierende Wirbelstromsonde mit abwechselnd polarisierten Sende- und Empfangswicklungen

Info

Publication number: DE3802073C2
Application number: DE3802073A
Authority: DE
Inventors: Valentino S Cecco; Richard Mcilquham; F Leonard Sharp
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1987-02-19
Filing date: 1988-01-25
Publication date: 1997-03-20
Anticipated expiration: 2008-01-26
Also published as: CA1273998A; GB8803609D0; FR2611277B1; CA1273998C; DE3802073A1; JP2714386B2; JPS63298053A; US4808924A; FR2611277A1; GB2203840A; GB2203840B

Description

Die Erfindung betrifft die zerstörungsfreie Untersuchung eines Rohres aus einem elektrisch leitfähigen Material, und insbesondere eine in Umfangsrichtung kompensierte Wirbel stromsonde mit mehreren Sende- und Empfangswicklungen, die befähigt ist, in einem Rohr sowohl Umfangs- als auch Axial-Risse, Abnutzungsverschleiß unter ferromagnetischen und nicht ferromagnetischen Stützplatten, flache Innenfehler usw. zu erfassen.

Das Wirbelstrom-Untersuchungsverfahren ist ein zerstörungs freies Untersuchungsverfahren, das darauf beruht, elektri sche Ströme in dem zu untersuchenden Material zu induzieren und die Wechselwirkung zwischen diesen Strömen und dem Mate rial zu beobachten. Wirbelströme werden durch elektromagneti sche Wicklungen in der Untersuchungssonde erzeugt und gleich zeitig durch Messen der elektrischen Impedanz der Sonde über wacht. Da dies ein elektromagnetischer Induktionsvorgang ist, ist kein direkter elektrischer Kontakt mit dem Untersu chungsstück erforderlich, jedoch muß das Material des Unter suchungsstückes elektrisch leitfähig sein.

Bei der Untersuchung auf Fehler ist es wichtig, daß die Fließrichtung der Wirbelströme so weit wie möglich senkrecht zu den Fehlern verläuft, um ein maximales Ansprechverhalten zu erzielen. Falls Wirbelströme parallel zu einem Fehler fließen, ergibt sich nur eine geringe Störung der Wirbelströ me und damit nur geringe Änderung der Sonden-Impedanz.

Unterschiedliche Wirbelstromsonden sind zur Untersuchung von zylindrischen oder rohrförmigen Bestandteilen bereits vorge schlagen und/oder ausgeführt worden, wie aus den US-PS 3 952 315, 4 079 312 und 4 083 002 ersichtlich.

Eine übliche interne Umfangssonde induziert einen Wirbel stromfluß parallel zu den Spulenwicklungen und aus diesem Grunde in Umfangsrichtung. Wie oben erwähnt, muß sich zur Er fassung eines Fehlers die Wicklungsimpedanz ändern. Das ge schieht nur dann, wenn der Wirbelstrom-Fließweg gestört ist. Umfangsdefekte, die parallel zu dieser Fließrichtung liegen und deshalb keine wesentliche Fläche senkrecht zu diesem Weg einnehmen, werden aus diesem Grunde nicht erfaßt. Mehrfach wicklungen bei einer Erregungswicklungsanordnung und bei einer Empfangswicklungsanordnung werden in den US-PS 3 241 058 und 3 271 662 beschrieben. Diese beiden Pa tentschriften lehren eine Untersuchung von Blechen unter Be nutzung einer ungeraden Anzahl von Sendewicklungen, deren Achsen senkrecht zur Untersuchungsprobe stehen, und einer ge raden Anzahl von Empfangswicklungen. Die Sendewicklungen sind abwechselnd elektromagnetisch polarisiert, jedoch die Empfangswicklungen in den gleichen Richtungen polarisiert, so daß es ermöglicht wird, ohne Umfangs- oder Linien-Kompen sation zu arbeiten (ein in diesen Patentschriften angestreb tes Merkmal). Der Aufbau ist sehr kompliziert und sehr emp findlich auf Sonden-Wobbeln. Sie erzeugen Ausgangssignale, deren Analyse sehr kompliziert ist, und sind bei Untersu chung zylindrischer Stücke nicht leicht anwendbar.

Eine weitere Sende-Empfangs-Wirbelstromsonde ist aus der CN 1 014 226 bekannt. Die vorbekannte Spulenanordnung umfaßt zwei D-förmige Empfangswicklungen, die um die zentrale Achse der Sonde angeordnet sind. Die Empfängerwicklungen sind eben falls auf D-förmigen Kernen gebildet, wobei die beiden Erre gungskerne nicht in derselben Ebene angeordnet sind, sondern so, daß die Empfängerwicklungen zwischen den Senderwicklun gen liegen. Zudem sind die Sender- und Empfängerwicklungen nicht winkelmäßig gegeneinander versetzt und beide Erregungs wicklungen sind in Reihe hintereinander geschaltet. Diese vorbekannte Wirbelstromsonde ist ebenfalls auf Sonden-Wob beln bzw. Sonden-Taumeln empfindlich und ist nicht in der Lage, Risse in Umfangsrichtung zu detektieren.

Die US-PS 3 444 459 beschreibt wendelförmige Untersuchungs wicklungen, die gegen die Achse des zu untersuchenden Rohres leicht schräggestellt sind. Die Wicklungen sind abwechselnd polarisiert, müssen jedoch, um 100% Umfangsüberdeckung und eine umgangsfähige Achsialsondenlänge zu erreichen, von läng licher Form sein. Die Sendewicklung ist mindestens dreimal so groß wie die Empfangs- oder Erfassungswicklungsanordnung. Die Sonde ist für Risse in Umfangsrichtung unempfindlich.

Es ist ein anerkanntes Problem, daß eine Zuverlässige Erfas sung und Größenbestimmung von Umfangsrissen, Verschleißstel len, flachen inneren Fehlern usw. durch die Tatsache er schwert wird, daß sie häufig in fehlerträchtigen Bereichen wie unter Rohrmänteln oder Stützplatten auftreten, und in Übergangsbereichen von gerippten Rohren. Wärmetauscher und Dampf-Erzeuger werden normalerweise aus Rohren zusammenge baut, die in die Rohrhülle eingewalzt und dann an der Primär-Rohrhüllenfläche eingeschweißt sind. Das Walzen wird in erster Linie ausgeführt, um korrosionsträchtige Spalte zu beseitigen. Wenn jedoch Rohre über die Sekundärfläche der Rohrhülle hinaus gewalzt werden, besteht große Rißgefahr.

Die vorliegende Erfindung macht von Mehrfachwicklungen Ge brauch, die im Sende/Empfangs-Betrieb betrieben werden, um alle lokalisierten Fehler zu erfassen, einschließlich Um fangsrisse in einem Rohr. Die erfindungsgemäßen Sonden erfas sen intern oder extern Fehler einschließlich von Fehlern unter Stützplatten. Mit einer Vielzahl von Wicklungsausbil dungen ist eine 100%-ige Umfangsdeckung bei einem Durchlauf möglich mit hoher Fehlerempfindlichkeit in der Übergangszone zwischen gedehnten und ungedehnten Verrohrungen.

Es ist damit ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Wir belstromsonde zu schaffen, die ein in Umfangsrichtung kompen siertes Ausgangssignal erzeugt. Damit wird beabsichtigt, eine Wirbelstromsonde zu erhalten, die Fehler (ob in Umfangs richtung oder nicht) in einem Rohr unter einem Rohrmantel oder einer Rohrstütze erfassen kann, und es wird weiter eine Sonde angestrebt, deren Ausgangssignale ähnlich leicht zu analysieren sind, wie die Ausgangssignale üblicher Sonden.

Dieses Ziel wird durch die Merkmale des Anspru ches 1 erreicht.

Somit enthält eine in Umfangsrichtung kompensierende Wirbel stromsonde erfindungsgemäßer Art ein erstes Paar von Wick lungsanordnungen, die erste und die zweite Anordnung, wobei die erste Wicklungsanordnung eine gerade Anzahl von im wesentli chen identischen ersten Wicklungen besitzt, die benachbart zu einem zu untersuchendem Rohr und symmetrisch um eine und in einer ersten Ebene senkrecht zur Zentralachse des Rohres anzuordnen sind, wobei die ersten Wicklungen Achsen besit zen, die einen Winkel Θ₁ mit der Mittelachse bilden und elek tromagnetisch abwechselnd zwischen zwei entgegengesetzten Richtungen längs ihren Achsen orientiert sind. Die zweite Wicklungsanordnung besitzt die gleiche gerade Anzahl von im wesentlichen identischen zweiten Wicklungen, die benachbart zu dem zu untersuchendem Rohr und symmetrisch um eine und in einer zweiten Ebene senkrecht zur Zentralachse anzuordnen sind, wobei die zweiten Wicklungen Achsen besitzen, die einen Winkel Θ₂ mit der Zentralachse bilden und abwechselnd zwischen zwei einander entgegengesetzten Richtungen längs ihren Achsen elektromagnetisch ausgerichtet sind. Die genann ten ersten und zweiten Wicklungsanordnungen sind in Winkel richtung gegeneinander um die genannte Zentralachse ver setzt, um jede Wicklung in einer Wicklungsanordnung in der Mitte zwischen zwei benachbarten Spulen der anderen Wicklungsanordnung zu positionieren. Bei Beaufschlagung er zeugt die eine Spulenanordnung Magnetfelder in dem Rohr in den beiden entgegengesetzt liegenden Richtungen der Wicklungen, und die andere Wicklungsanordnung erfaßt Störun gen der Magnetfelder und erzeugt ein in Umfangsrichtung kom pensiertes Ausgangssignal, das im wesentlichen das Vorhan densein örtlicher Fehlstellen im Rohr anzeigt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei spielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1a und 1b perspektivische Darstellungen der beiden be kannten für Umfangsrisse brauchbaren Vor richtungen, die jedoch keine Umfangskompen sation besitzen,

Fig. 2a, 2b und 2c die Wicklungsgestaltung und elektrische Ver schaltung der Wicklungen für eine Ausfüh rung der Erfindung,

Fig. 3a, 3b verallgemeinerte Draufsichtdarstellungen einer erfindungsgemäßen Sonde mit Symbolen für verschiedene Parameter,

Fig. 4 eine Nachbildung eines Dampfgenerator-Rohr aufbaus, der zur Untersuchung der erfin dungsgemäßen Sonden benutzt wurde,

Fig. 5 bei einer Untersuchung des Aufbaus nach Fig. 4 erhaltene Ausgangssignale,

Fig. 6, 7 und 8 vereinfachte Schnittbilder bevorzugter Aus führungen der vorliegenden Erfindung,

Fig. 9 und 10 vereinfachte Darstellungen von Wicklungsge staltungen von zwei Reihen von Wicklungs anordnungen entsprechend zwei Ausführungen der vorliegenden Erfindung zur vollständi gen Umfangsüberdeckung und

Fig. 11 eine vereinfachte Darstellung, die bei der Beschreibung des Betriebs einer erfindungs gemäßen Sonde nützlich ist.

Um in Umfangsrichtung verlaufende Fehler zu erfassen, müssen die Wicklungen Ströme induzieren, die mit einem gewissen Winkel zu den vermuteten Fehlern verlaufen. Fig. 1a und 1b zeigen zwei mögliche Arten von Rohrsonden. Keine von beiden besitzt separate Erregungs- und Empfangswicklungs anordnungen. Die Sonde nach Fig. 1a induziert Ströme mit kreisförmiger Verteilung, während die Sonde nach Fig. 1b Ströme induziert, die dem Wicklungswinkel von 30° folgen. Beide Sonden sind Differentialsonden, d. h. die Wicklungen sind so elektrisch geschaltet, daß sie Differentialsignale zur Auswertung durch eine Wechselstrombrücke erzeugen. Wäh rend Flachspulen- Flächensonden (einfach oder mehrfach) eine gute Empfindlichkeit für Oberflächenrisse besitzen, zeigen sie eine geringe Empfindlichkeit für externe Defekte, großes Abhebe-Rauschen, teilweise Umfangsüberdeckung und ergeben komplizierte Signale. Zusätzlich bildet die komplizierte me chanische Auslegung, die zur Verringerung des Abheberau schens erforderlich ist, eine Gefahr, daß die Sonde versagt.

Zum Erfassen von Rissen unter Rohrmänteln und in Übergangsbe reichen von verrippten Rohren usw. sind Verfahren mit Wirbel strömen mit Doppel- oder Mehrfachfrequenz bekannt. Hohe Un tersuchungsfrequenzen sind sehr empfindlich für Rohrdehnung, niedrige Untersuchungsfrequenzen sind sehr empfindlich für Rohrmäntel und Stützplatten, während dazwischenliegende Fre quenzen sehr empfindlich für Defekte, Stützplatten und Deh nungen sind. Eine entsprechende Mischung dieser Mehrfre quenz-Signale ergibt in erster Linie eine Empfindlichkeit für Fehler.

Rohrmantel-Kompensationssonden werden so ausgelegt, daß sie die Wirbelstromuntersuchung vereinfachen. Fehler, die dicht bei oder unter einem Rohrmantel oder einer Stützplatte liegen, können ohne Benutzung von Mehrfachfrequenz-Kompensie rung (Signalmischung) oder kleinen Flächensonden erfaßt werden. Diese Sonden, die mit üblichen Sende/Empfangs-Wirbel strominstrumenten arbeiten, besitzen eine eingebaute Um fangskompensation, so daß Stützplatten, Rohrmäntel und ge dehnte Abschnitte virtuell unsichtbar sind. Eine vollständi ge Rohrüberprüfung ergibt nur Signale von Fehlern. Sie können benutzt werden, um Spannungskorrosionsrisse, kurze Um fangsrisse und Grübchen zu erfassen, auch in Anwesenheit von gleichförmigen Kupferabscheidungen, und zur Erfassung von Verschleißstellen unter Stützplatten. Dampfgeneratorrohre aus Inconel (Warenzeichen), Kondensorrohre aus Messing und Kupfer sowie verrippte Klimaanlagen-Wärmetauscherrohre können mit einem einzigen Durchlauf unter Benutzung eines Einfrequenz-Sende/Empfangs-Wirbelstrominstrumentes unter sucht werden.

Fig. 2a, 2b, 2c zeigen schematisch die Gestaltung, die Anbringung und elektrische Verbindung von Wicklungen, die in der ersten Wicklungsanordnung und der zweiten Wicklungsanord nung einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung benutzt werden. Die Wicklungen können scheibenförmige Elek tromagnetwicklungen, sogenannte Flachspulenwicklungen (panca ke coils) sein oder können, je nach der erforderlichen Aus führung und den etwaigen Anforderungen, eine andere Form be sitzen.

In der Zeichnung zeigt Fig. 2a eine Umfangswicklungsgestal tung in ebener Abwicklung. Vier im wesentlichen identische erste Wicklungen der Anordnung 1 sind in einer Reihe ge zeigt, wobei ein Abstand von 90° in einem Kreis vorliegt. Vier im wesentlichen identische zweite Wicklungen der zwei ten Wicklungsanordnung 3 sind in Axialrichtung mit einem Abstand d₁ gegen die erste Wicklungsanordnung versetzt und weiter um 45° so gedreht, daß sie in der Mitte zwischen zwei benachbarten Erregungswicklungen liegen. Der Durchmesser der Wicklung ist mit d₀ bezeichnet.

In Fig. 2c ist der Querschnitt des Sonden-Gehäuses mit 11 bezeichnet und vier erste Wicklungen sind in Umfangsrichtung in der Querschnittsebene des Sondengehäuses angebracht mit einer Achse, die im wesentlichen mit der Mittelachse 9 des zu untersuchenden Rohres zusammenfällt. Obwohl in Fig. 2c nicht dargestellt, sind vier zweite Wicklungen der zweiten Wicklungsanordnung in gleicher Weise in einer Ebene ange ordnet, die parallel zur Ebene der ersten Wicklungen liegt. Die zweiten Wicklungen liegen in Umfangsrichtung in der Mitte zwischen zwei benachbarten ersten Wicklungen, wie Fig. 2a zeigt.

Fig. 2b zeigt die elektrische Verschaltung der Wicklungen mit einer Wechselstrom-Leistungsquelle 5 und einem Instru ment 7, das die in der zweiten Wicklungsanordnung 3 erzeugte Spannung mißt.

In diesen und den folgenden Figuren zeigen die Zeichen + und - die Polaritäten der Wicklungen an, wie sie entweder durch den Windungssinn der Wicklung oder durch die elektrische Ver bindung der Wicklungen miteinander erzeugt werden kann. Statt der in Fig. 2b dargestellten Ausbildung, bei der die Windungsrichtung benachbarter Wicklungen jeweils umgekehrt ist, können die elektrischen Verbindungen gleichgerichteter Wicklungen so hergestellt werden, daß die gleiche Wirkung er zielt wird, wobei die Abfolgen der Wicklungsverbindungen er halten bleiben. Es ist auch darauf hinzuweisen, daß nach dem Gesetz der Austauschbarkeit die Sonde in gleicher Weise funk tioniert, wenn eine Wechselstromquelle an die zweite Wicklungsanordnung und das Spannungsmeßinstrument an die erste Wicklungsanordnung angeschlossen werden.

Die ersten Wicklungen sind in einer ersten Ebene angeordnet, die mit einer Querschnittsebene des Sondengehäuses nach Fig. 2b senkrecht zur Mittelachse des Rohres zusammenfällt. Wie die ersten Wicklungen sind auch die zweiten Wicklungen in einer zweiten Ebene senkrecht zur Mittelachse des Rohres an geordnet. Typische Werte dieser Ausführung sind d₀ (Wicklungsdurchmesser) = 5 mm, d₁ (Abstand der Wicklungs anordnungen) = 5 mm und Rohrdurchmesser 12,7 mm.

Der Abstand d₁ kann zur Optimierung des Verhaltens je nach Materialart, Größe usw. des Rohres verändert werden. Bei be stimmten Anwendungen kann der Abstand d₁ Null sein. Ein be stimmtes leitfähiges Material, z. B. Kupfer, kann in den Raum als teilweise Abschirmung eingesetzt werden, um die Phase des Ausgangssignales zu verschieben. Eine Vielzahl von Wicklungsgestaltungen sind möglich und werden in Bezug auf die Fig. 3a und 3b allgemein erläutert.

In Fig. 3a ist eine Anordnung aus vier Wicklungen in einer Wicklungsanordnung gezeigt. Es sind verschiedene Symbole ein gesetzt, um bestimmte variable Parameter zu bezeichnen; bei spielsweise ist d₁ der Abstand der beiden Wicklungsanordnun gen voneinander, d. h. der Abstand der beiden senkrechten Ebenen, d₀ der Wicklungsdurchmesser, γ der Winkelversatz der beiden Wicklungsanordnungen gegeneinander und t die Dicke einer Teilabschirmung 13. Fig. 3b zeigt eine erste Wick lung und eine zweite Wicklung relativ zur Zentralachse 9 mit gegenseitigem Abstand d₁. In der Figur sind die Winkel, die die Achsen der ersten bzw. der zweiten Wicklung mit der Zentralachse bilden, jeweils mit Θ₁ bzw. Θ₂ bezeichnet.

Diese Parameter d₀, d₁, γ, t, Θ₁ und Θ₂ sind variabel und können zur Optimierung des Verhaltens je nach Anforderung ausgesucht werden. Die Anzahl der Wicklungen in einer Wick lungsanordnung kann ebenfalls verändert werden, solange die Gesamtzahl geradzahlig bleibt, wobei diese Anzahl den Winkel versatz γ bestimmt.

Bei den jeweiligen Wicklungsanzahlen 2 (γ = 90°), 4 (γ = 45°), 6 (γ = 30°) usw. sind die folgende Wicklungskonfigura tionen möglich:

1) Θ₁ ist abwechselnd 90°, 270°; Θ₂ ist abwechselnd 90°, 270°; d₁ = 0.
2) Θ₁ ist abwechselnd 90°, 270°; Θ₂ ist abwechselnd 0°, 180°; d₁ = 0.
3) Θ₁ ist abwechselnd 0°, 180°; Θ₂ ist abwechselnd 0°, 180°; d₁ = 0.
4) Θ₁ ist abwechselnd 90°, 270°; Θ₂ ist abwechselnd 90°, 270°; d₁ ≧ d₀.
5) Θ₁ ist abwechselnd 90°, 270°; Θ₂ ist abwechselnd 0°, 180°; d₁ ≧ d₀.
6) Θ₁ ist abwechselnd 0°, 270°; Θ₂ ist abwechselnd 0°, 180°; d₁ ≧ d₀.
7) Θ₁ ist abwechselnd 90°, 270°; Θ₂ ist abwechselnd 90°, 270°; d₁ ≧ d₀ + t, t ≈ δ.
8) Θ₁ ist abwechselnd 90°, 270°; Θ₂ ist abwechselnd 0°, 180°; d₁ ≧ d₀ + t, t ≈ δ.
9) Θ₁ ist abwechselnd 0°, 180°; Θ₂ ist abwechselnd 0°, 180°; d₁ ≧ d₀ + t, t ≈ δ.
10) Θ₁ ist abwechselnd 90°, 270°; Θ₂ ist abwechselnd 30°-60°, 210°-240° (etwa); d₁ ≧ 2 d₀.
11) Θ₁ ist abwechselnd 0°, 180°; Θ₂ ist abwechselnd 30°-60°, 210°-240° (etwa) d₁ ≧ 2 d₀.

In der vorangehenden Aufstellung bedeutet δ die Stan dard-Eindringtiefe, die durch die Untersuchungsfrequenz, die elektrische Leitfähigkeit und die magnetische Permeabilität der teilweisen Abschirmung bestimmt wird.

Wie leicht einzusehen ist, fällt die in Fig. 2a und 2b gezeigte Ausgestaltung unter das Beispiel mit der Nummer 4 mit der Wicklungszahl 4.

Fig. 4 und 5 zeigen die Untersuchung an einer Dampfgenera tor-Nachbildung mit verschiedenen Fehlerarten, und die mit einer erfindungsgemäß aufgebauten Sonde daran erhaltenen Aus gangssignale. In Fig. 4 besitzt das aus Inconnel (Warenzei chen) gefertigte Rohr einen Durchmesser von 19 mm. Verschie dene Fehler sind an den Stellen A, B, C und D vorhanden. Der Rohrmantel 17 ist aus Kohlenstoffstahl und besitzt eine Be deckung 19 aus Inconel.

Fig. 5 zeigt die Ausgangssignale in X-Y Impedanzverteilung an den Stellen A, B, C und D. Das durch die Wand gehende Durchgangsloch und die Außengrube mit 25% Tiefe und 5 mm Durchmesser sind an dem Rohrmantel-Dehnungsübergang leicht erfaßbar. Die unverzerrten Signale erlauben eine genaue Größenbestimmung der Fehler. Die Signale von dem Kohlen stoffstahl-Rohrmantel, von der Inconel-Überdeckung und der Rohrmanteldehnung sind vernachlässigbar.

Um die Vorstellung gewisser Wicklungsgestaltungen, wie sie oben aufgeführt sind, zu unterstützen, wird auf die Fig. 6, 7 und 8 verwiesen. In Fig. 6 ist eine Ausführung nach der laufenden Nummer 1) so dargestellt, daß zwei Wicklungen in jeder Wicklungsanordnung 1 bzw. 3 vorgesehen sind. Θ₁, Θ₂ wechseln mit 90° bzw. 270° ab. Die Wicklungsanordnungen sind insoweit austauschbar, daß die erste Wicklungsanordnung als Sende-Wicklungsanordnung und die zweite Wicklungsanord nung als Empfangsanordnung benutzt werden kann, oder umge kehrt, wobei die Ergebnisse gleichbleiben.

Fig. 7 zeigt eine Ausführung, bei der alle Wicklungen (die ersten und die zweiten Wicklungen) axial ausgerichtet, jedoch abwechselnd polarisiert sind, so daß Θ₁ und Θ₂ je weils abwechselnd 0° bzw. 180° betragen. Eine Teilabschir mung aus dünnem Kupferblech mit einer Stärke gleich δ ist als Phasenschieber für das Ausgangs-Fehlersignal relativ zum Sonden-Wobbelsignal vorgesehen. Wie bei Fig. 6 sind auch hier die Wicklungsanordnungen als Sende- und Empfangsanord nungen gegeneinander austauschbar.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführung, die der (Nummer 11) entspricht. Bei dieser Ausführung wird die direkte Kopplung der ersten (Sende-) mit der zweiten (Empfangs-) Wicklungs anordnung minimal gehalten, jedoch die Empfindlichkeit für externe Fehler maximiert. Bei der Ausführung wird weiter das Sonden-Wobbelsignal klein gehalten und es werden örtliche Fehlersignale so verzerrt, daß sie von dem Sondenwobbelrau schen leichter unterscheidbar sind.

Wie leicht vorgestellt werden kann, können alle Wicklungsge staltungen sowohl bei einer Innensonde als auch bei einer Außensonde insoweit verwendet werden, als die Wicklungen bei dem Rohr innerhalb oder außerhalb angeordnet werden können, ohne irgendwelche Eigenschaften zu ändern.

Alle Wicklungsgestaltungen, die bisher besprochen wurden, lassen gewisse Umfangsgebiete unerfaßt, d. h. kleine Gebie te, die genau unter den Zentren der Wicklungen durchlaufen. Eine 100%-ige Umfangsüberdeckung kann jedoch dadurch er reicht werden, daß je eine zweite Reihe von Wicklungsanord nungen identisch zur ersten Reihe, jedoch in Winkelrichtung ein wenig dagegen verschoben, vorgesehen wird.

Aus diesem Grund ist bei allen oben aufgeführten Ausgestal tungen die erste und die zweite Reihe von Wicklungsanordnun gen in Axialrichtung mit Abstand voneinander vorgesehen, und in Winkelrichtung jeweils um 1/2 γ verdreht (wobei γ die Winkelversetzung zwischen den ersten und zweiten Wicklun gen jeder Reihe ist).

Fig. 9 und 10 zeigen beispielhaft zwei derartige Gestal tungen als Ausführungsbeispiele.

Anhand der Fig. 11 wird der Betrieb einer erfindungsgemäßen Sonde kurz erklärt. Als Ausführungsbeispiel ist die Ausfüh rung nach Fig. 3a angenommen. Alle anderen Ausführungen können in ähnlicher Weise analysiert werden. In Fig. 11 sind zwei Sendewicklungen und eine Empfangswicklung durchge zogen dargestellt. Die mit abwechselnden Polaritäten Nord/Süd bzw. Süd/Nord geschalteten Sendewicklungen ergeben:
ein Magnetfeld, das von einer Spule zur anderen etwas ausbaucht und Wirbelstrom unter und zwischen den Wicklungen induziert,
einen an inneren und äußeren Rohrflächen ziemlich gleichmäßigen Magnetfluß und
das Fließen von Magnetfeld-induzierten Wirbelströmen mit einem Winkel zur Rohrachse in dem bezeichneten Bereich maximaler Empfindlichkeit. Dadurch wird die Erfassung von axialen und von in Umfangsrichtung verlaufenden Rissen möglich.

Die Empfangswicklungen, die abwechselnd mit N/S und S/N Pola ritäten versehen sind, ergeben:
Bereiche mit hoher Fehlerempfindlichkeit zwischen den Sende- und Empfangswicklungen,
abwechselnde positive und negative Empfindlichkeit jeweils benachbarter Bereiche; bei vier Sendewicklun gen und vier Empfangswicklungen sind vier positive und vier negative Fehlerempfindlichkeitsbereiche vorhanden,
wobei diese abwechselnden Fehlerempfindlichkeiten längs des Rohrumfanges einen Ausgleich von Signalen ergeben, die von symmetrischen (konzentrischen) Ände rungen, wie Stützplatten, Rohrmantel und Dehnungsbe reichen stammen; Ausgangssignale werden nur von ört lichen Fehlern erzeugt,
das sich ergebende Signal eines örtlichen Fehlers ist gleichartig wie bei üblichen Spulensonden, so daß die Signalanalyse erleichtert wird. Dadurch kann eine Größenfestlegung der Defekte auch bei Stützplat ten oder in Rohrdehnungsbereichen erfolgen.

Claims

1. In Umfangsrichtung kompensierende Wirbelstromsonde zum Erfassen örtlicher Fehlstellen in einem Rohr, das eine Zentralachse besitzt und aus einem elektrisch leitfähi gen Material besteht, mit

- einer ersten Wicklungsanordnung und einer zweiten Wicklungsanordnung;
wobei die erste Wicklungsanordnung eine gerade Zahl von im wesentlichen identischen ersten Wicklungen auf weist, die benachbart zu dem zu untersuchenden Rohr und symmetrisch um die und in einer ersten Ebene senk recht zu der Zentralachse angeordnet sind,
die ersten Wicklungen Achsen aufweisen, welche einen Winkel Θ₁ mit der Zentralachse bilden und abwechselnde erste Wicklungen elektromagnetisch in zwei entgegenge setzten Richtungen längs ihrer Achsen polarisiert sind;
einem Sendererregermittel, das an die erste Wicklungs anordnung zum Erregen der ersten Wicklungsanordnung ge koppelt ist;
die zweite Wicklungsanordnung die gleiche gerade Zahl von im wesentlichen identischen zweiten Wicklungen auf weist, die benachbart zu dem zu untersuchenden Rohr und symmetrisch um die und in einer zweiten Ebene senkrecht zur Zentralachse angeordnet sind, wobei die zweiten Wicklungen Achsen aufweisen, welche einen Winkel Θ₂ mit der Zentralachse bilden und abwechselnde zweite Wicklungen elektromagnetisch in zwei entgegen gesetzten Richtungen längs ihrer Achsen polarisiert sind;
einem Empfängererfassungsmittel, das an die zweite Wicklungsanordnung zum Erfassen des Stromes, der in der zweiten Wicklungsanordnung erzeugt wird, gekoppelt ist;
- die erste Wicklungsanordnung und die zweite Wicklungs anordnung winkelmäßig voneinander um die Zentralachse ver setzt sind, um jede der Wicklungen in einer der Wick lungsanordnungen mit ihrem Mittelpunkt jeweils zwischen zwei angrenzenden Wicklungen der anderen der Wicklungsanordnungen zu po sitionieren; so daß bei Beaufschlagung die erste Wick lungsanordnung Magnetfelder in dem Rohr in den zwei entgegengesetzten Richtungen der Wicklungen erzeugt und die zweite Wicklungsanordnung Verzerrungen in den Magnetfeldern erfaßt.

2. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel Θ₁ und Θ₂ jeweils aus den Winkelgrößen 0° und 90° ausgewählt sind.

3. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel Θ₁ 0° oder 90° beträgt und der Winkel Θ₂ ein Winkel zwischen etwa 30° und 60° ist.

4. Wirbelstromsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Ebene einen Axialabstand der Größe d₁ voneinander besitzen, wobei d₁ zwischen d₁ = 0 und d₁ d₀ ist, wobei d₀ der Durchmesser der je weils größeren Wicklungen aus ersten und zweiten Wicklun gen ist.

5. Wirbelstromsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Ebenen einen Axialabstand d₁ voneinander besitzen, und daß ein Teil-Magnetschirmmit tel (13) mit einer Dicke t dazwischen vorgesehen ist, daß der Abstand d₁ d₀ + t ist, wobei d₀ der Durchmes ser der größeren aus ersten und zweiten Wicklungen und t im wesentlichen gleich der Standard-Eindringtiefe δ ist.

6. Wirbelstromsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Ebene einen Axialabstand voneinander besitzen, der gleich d₁ 2 d₀ ist, wobei d₀ der Durchmesser der größeren Wicklungen aus ersten und zweiten Wicklungen ist.

7. Wirbelstromsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von ersten bzw. zweiten Wicklungen die Zahl 2, 4 oder 6 ist und daß die erste und zweite Wick lungsanordnung je an einem Sondengehäuse vorgesehen ist, das längs der Zentralachse (9) in dem Rohr frei bewegbar ist.

8. Wirbelstromsonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Paar von Wicklungsanordnungen, nämlich die dritte und die vierte Wicklungsanordnung, vorgesehen ist, wobei das zweite Paar identisch zu einem ersten Paar ist, jedoch von diesem einem Axialabstand d₁ größer als 2 d₀ besitzt und um die Zentralachse (9) bezüglich des ersten Paares in Winkelrichtung verdreht ist.