DE3817574C2

DE3817574C2 -

Info

Publication number: DE3817574C2
Application number: DE3817574A
Authority: DE
Inventors: Harald 7000 Stuttgart De Egner; Robert 7530 Pforzheim De Russ; Paul Amsterdam Nl Anthonio
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1988-05-24
Filing date: 1988-05-24
Publication date: 1992-07-23
Also published as: EP0343590A3; EP0343590A2; DE3817574A1; US5003262A; DE58906234D1; ATE97739T1; EP0343590B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wirbelstromsensor mit einer Meßspule gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Wirbelstromsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus "Nondestructive Testing Handbook", Vol. 4, 1986, S. 293 bis 302 von McMaster, McIntire und Mester bekannt.

Gattungsgleiche Wirbelstromsensoren, die beispielsweise in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt werden, sind ferner aus dem Buch "Magnetische und magnetinduktive Werkstoffprüfung" von H. Heppner und H. Stroppe, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 2. Auflage, 1969 oder aus dem in "Der Elektroniker" 1974, Heft 9, Seite 7 bis 13 erschienen Artikel "Elektronik in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung" von H. Luz bekannt.

Auf die dort angegebenen Anwendungsmöglichkeiten von Wirbelstromsensoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beispielsweise in der Werkstoffprüfung wird ausdrücklich Bezug genommen.

Die bekannten Wirbelstromsensoren weisen in der Regel eine Meßspule, in deren magnetischem Feld das zu erfassende Objekt angeordnet ist, sowie eine Referenzspule auf. Ferner ist in der Regel ein Signalgenerator, beispielsweise ein Sinusgenerator vorgesehen, dessen Ausgangssignal an die Spulen angelegt ist. Die an den beiden Spulen anstehenden Ausgangssignale werden mittels eines Subtrahierers voneinander substrahiert. Das Ausgangssignal des Subtrahierers ist direkt an einen ersten Demodulator und über einen 90°-Phasenschieber an einen zweiten Demodulator angelegt. Dabei ist an die Demodulatoren als zusätzliches Signal das über einen Phasenschieber mit einstellbarem Phasenwinkel verschobene Ausgangssignal des Sinusgenerators angelegt.

Durch die zweifache Demodulation liegt das (verstärkte) Sensorsignal als Vektor in der "komplexen Impedanzebene" vor, wobei Betrag und Phase des Signals zur Auswertung herangezogen werden können.

Da weiterhin im Parallelzweig das Signal des Sinusgenerators durch den Phasenschieber mit einstellbarem Phasenwinkel um 0°τ360° phasenverschoben wird (τ beschreibt den Winkel, um den die Achsen der gebildeten Signalebene gegenüber den Achsen der Impedanzebene gedreht sind), können das Nutzsignal, z. B. das Signal einer Schweißnaht, und das Störsignal, das beispielsweise durch Abhebeeffekte einer oder beider Spulen erzeugt wird, in einem beliebigen Winkel α zueinander liegen. Das Störsignal ist dabei vom Betrag meist wesentlich größer als das Nutzsignal.

Üblicherweise wird das komplexe Signal auf einem Bildschirm angezeigt und visuell ausgewertet. Dabei wird zum Erkennen des interessierenden Signals (Nutzsignal) der Winkel τ am Phasenschieber so eingestellt, daß das Störsignal genau in Richtung der y-Achse zu liegen kommt. Der "Kanal x" wird dann z. B. mit einer "gefühlsmäßig" eingestellten Triggerschwelle zur Auswertung herangezogen. Die bekannten Sensoren, die beispielsweise zur Werkstoffprüfung eingesetzt werden, haben damit eine Reihe von Nach teilen:

Zunächst einmal versteht es sich von selbst, daß eine visuelle Auswertung an einem Bildschirm nicht geeignet ist, wenn der Sensor in eine automatisierte Anlage zur Werkstoffprüfung integriert werden soll.

Darüberhinaus wird bei den bekannten Sensoren nur die Projektion des Nutzsignals auf die x-Achse ausgewertet. Damit wird der Störabstand zum Störsignal weiter ver kleinert.

Ferner muß der Winkel τ präzise justiert werden. Minimale Änderungen in den Eigenschaften der Prüfobjekte - wie sie beispielsweise bei Chargenwechsel auftreten - können Fehlerkennungen zur Folge haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wirbelstromsensor, der beispielsweise zur Werkstoffprüfung einsetzbar ist, anzugeben, der bei vollem Störabstand eine automatisierte Auswertung der Signale erlaubt.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Zwar ist bereits aus der DE 33 24 444 A1 bekannt, bei einer Fehlstellenerkennungsvorrichtung anderer Gattung das Ausgangssignal des ersten Demodulators über einen Verstärker mit einstellbarem Verstärkungsfaktor (a) und das Ausgangssignal des zweiten Demodulators über einen Verstärker mit einstellbarem Verstärkungsfaktor (b) an einen weiteren Subtrahierer anzulegen, dieser Druckschrift ist jedoch kein Hinweis auf die erfindungsgemäß erfolgte spezielle Wahl der beiden Verstärkungsfaktoren, durch die erst eine automatisierte Auswertung der Wirbelstromsensor- Ausgangssignale mit hohem Nutz-/Störsignal-Abstand erreicht werden kann, zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben, in der zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten Wirbelstromsensors, von dem die Erfindung ausgeht,

Fig. 2 Beispiele für Sensorsignale in der "Impedanzebene",

Fig. 3 die Signalauswertung bei herkömmlichen Wirbel stromsensoren,

Fig. 4 die Signalauswertung bei einem erfindungsgemäßen Wirbelstromsensor, und

Fig. 5a und 5b Blockschaltbilder von Ausführungsbeispielen, mit der die in Fig. 4 gezeigte Signalauswertung realisiert werden kann, und

Fig. 6 die erfindungsgemäße Selbstkalibrierung.

Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen Wirbelstromsensor, der als Signalgenerator einen Sinusgenerator 1 aufweist, dessen Ausgangssignal an einer Meßspule 2, einer Referenzspule 3 sowie an dem Eingangsanschluß eines Phasenschiebers 6 mit zwischen 0 und 360° einstellbarem Phasenwinkel anliegt.

Die Ausgangssignale der Meßspule 2 und der Referenzspule werden zunächst voneinander subtrahiert (Bezugszeichen 2- 3) und mittels eines Verstärkers 4 verstärkt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 4 liegt über einen Phasenschieber 5 mit einem festen Phasenwinkel von 90° an dem einen Eingangsanschluß eines Demodulators 8 an. Ferner liegt das Ausgangssignal des Verstärkers 4 direkt an dem einen Eingangsanschluß eines Demodulators 7 an. An den anderen Eingangsanschlüssen der Demodulatoren 7 und 8 liegt das Ausgangssignal des Phasenschiebers 6 mit einstellbarem Phasenwinkel an.

Die Ausgangssignale der Demodulatoren 7 und 8 werden in Übereinstimmung mit der Literatur als x-Kanal und y-Kanal bezeichnet.

Fig. 2 zeigt Beispiele für Sensorsignale (x- und y-Kanal) in der sogenannten "komplexen Impedanzebene". Dabei ist mit N das Nutzsignal und S das Störsignal bezeichnet.

Wie man unmittelbar den gezeigten Beispielen entnehmen kann, sind "je nach Drehung" der einzelnen Signale die Größenrelationen zwischen den beiden Signalen unterschiedlich: Beispielsweise kann das Nutzsignal sehr viel kleiner als das Störsignal sein (linkes oberes Teilbild), in der gleichen Größenordnung (linkes unteres Teilbild) oder wesentlich größer als das Störsignal sein (rechtes Teil bild).

Bei den herkömmlichen Wirbelstromsensoren erfolgt die Signalauswertung in der in Fig. 3 dargestellten Weise: Wie bereits ausgeführt, liegt das Sensordifferenzsignal durch die zweifache Demodulation in den Demodulatoren 7 und 8 als Vektor in der komplexen Impedanzebene vor. Dabei ist τ der Winkel, um den die x- und y-Achse gegenüber den Achsen RE und IM der Impedanzebene durch die Phasenverschiebung um den Winkel τ durch den Phasenschieber 6 gedreht sind. Der Winkel τ wird am Phasenschieber 6 nun so eingestellt, daß das Störsignal genau in Richtung der y- Achse zu liegen kommt. Der Kanal X, d. h. das Ausgangssignal des Demodulators 7, wird dann über eine Triggerschwelle zur Auswertung herangezogen.

Die vorstehende Beschreibung zeigt nochmals deutlich den bereits einleitend ausgeführten Nachteil der bekannten Wirbelstromsensoren, nämlich die Verschlechterung des Nutz/Störsignal-Abstandes aufgrund der Tatsache, daß lediglich die Projektion des Nutzsignals auf die x-Achse zur Auswertung herangezogen wird.

Die Erfindung geht zur Verbesserung des Nutz-/Störsignal- Abstandes von dem Grundgedanken aus, nicht nur den Kanal X mit dem projizierten Nutzsignal, sondern beide Kanäle, d. h. die Ausgangssignale der Demodulatoren 7 und 8 zur Auswertung heranzuziehen.

Hierzu wird die xy-Ebene so gedreht, daß das Nutzsignal in Richtung der x-Achse zu liegen kommt. Der Nullpunkt des xy-Koordinatensystems liegt erfindungsgemäß nicht mehr im Nullpunkt der "komplexen Impedanzebene" sondern wird so verschoben, daß er in dem Arbeitspunkt des Sensors zu liegen kommt.

Hierzu wird das Störsignal mit einem Filter unterdrückt, der die Signale X und Y miteinander verknüpft:

c_*Z=a_*X-b_*Y mit tan α=a/b

Dieses Filter unterdrückt alle Signale, die im Winkel α zur x-Achse liegen. Der Faktor c beschreibt lediglich eine Anpassung der Amplitude des verknüpften Signals an die folgende Auswerteschaltung, beispielsweise an den Arbeitsbereich eines A/D-Wandlers.

Fig. 5a zeigt eine Prinzipschaltung einer erfindungsgemäßen Erweiterung der in Fig. 1 gezeigten Grundschaltung eines Wirbelstromsensors.

Die an den Ausgangsanschlüssen der Demodulatoren 7 und 8 anstehenden Signale, d. h. das "x-Kanal- und das y-Kanal- Signal" werden zunächst in Verstärkern 11 und 12 verstärkt und dann in einem Substrahierer 11-12 voneinander subtrahiert. Das Ausgangssignal des Substrahierers 11-12 wird von einem Verstärker 13 verstärkt und ausgewertet (z-Kanal).

Durch Wahl der Verstärkungsfaktoren a und b der Verstärker 11 und 12 läßt sich der Winkel der vorstehend beschriebenen Signalunterdrückung auf den Winkel α zwischen Nutz- und Störsignal einstellen.

Fig. 5b zeigt ein erweitertes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Weiterbildung des in Fig. 1 dargestellten Wirbelstromsensors. Bei dieser Weiterbildung sind den Verstärkern 11, 12 und 13 zusätzliche Signalverarbeitungsmodule 11′, 12′ und 13′ vorgeschaltet, die beispielsweise eine Hochpaßfunktion, eine Tiefpaßfunktion, eine Differenzier- oder Integrierfunktion haben können.

Durch die in den Fig. 5a und b dargestellten exemplarischen Weiterbildungen der bekannten Wirbelstromsensoren läßt sich eine automatisierte Auswertung der Wirbelstromsensor- Ausgangssignale mit hohem Nutz-/Störsignal-Abstand erreichen.

Dabei hat die erfindungsgemäße Auswertung insbesondere den überraschenden Vorteil, daß der Winkel α für ähnliche Werkstücke nahezu unabhängig von der Charge ist. Dies bedeutet, daß die Größe tan α, d. h. das Verhältnis der Verstärkungsfaktoren a/b der Verstärker 11 und 12 einmal vor Ablauf einer automatisierten Prüfung eingestellt werden kann und während der Prüfung auch bei einem Chargenwechsel nicht mehr verändert werden muß.

Bei der automatisierten Erkennung von axialen Merkmalen an rotationssymmetrischen Werkstücken z. B. von Schweißnähten an längs geschweißten Rohren mit elektromagnetischen Meßverfahren, d. h. mittels Wirbelstrom- bzw. Streuflußmessung, stellt sich das zuästzliche Problem, daß sich die elektromagnetischen Eigenschaften des Werkstoffes von Werkstück zu Werkstück unterscheiden. Eine einfache Triggerschwelle im z-Kanal in Fig. 5a und b ist damit für die automatische Erkennung des Merkmals zu unsicher, da die Schwelle laufend an unterschiedliche Werkstücke, beispielsweise bei Chargen- und/oder Herstellerwechsel angepaßt werden muß.

Deshalb ist erfindungsgemäß bei der Orientierung von axialen Merkmalen eine Selbstkalibrierung vorgesehen, die nach der Digitalisierung des Sensorsignals in einer Digital- Funktionseinheit im Anschluß an den z-Ausgangsanschluß hard- und/oder softwaremäßig realisiert werden kann.

Diese orientierende Selbstkalibrierung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 6 näher beschrieben:

In der ersten Phase, die auch als Selbstkalibrierungsphase bezeichnet werden kann, wird das rotationssymmetrische Werkstück um etwa 400° gedreht und die in dieser Zeit auftretenden Spannungsmaxima und -minima gespeichert. Das zu erkennende axiale Merkmal wird während dieser Phase mindestens einmal überfahren. Das Spannungsmaximum repräsentiert das Signal des gesuchten Merkmals. Beide Spannungswerte werden über die Beziehung

U_Referenz=u_max-(u_max-u_min)_*d

miteinander verknüpft.

In der zweiten Phase (Orientierung) wird das rotationssymmetrische Werkstück weiter gedreht, bis das Signal die Referenzspannung U_Referenz wieder erreicht. Damit ist das axiale Merkmal relativ zum Sensor orientiert.

Der Faktor d berücksichtigt dabei Meßunsicherheiten, die durch mechanische, thermische oder elektrische Ungenauigkeiten des Meßaufbaus verursacht werden. Bei einem Wert von d von 0,05 werden beispielsweise bei höchstens dreimaligem, direkt aufeinanderfolgenden Überfahren desselben Merkmals Streuungen der Merkmalsamplitude um 5% der Gesamtamplitude des Sensorsignals zugelassen.

Vorstehend ist die Erfindung exemplarisch ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens und/oder des Anwendungsbereichs beschrieben worden. Dabei kann die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung insbesondere bei einer automatischen Erkennung von Wirbelstrom-Signalen mit einer Triggerschwelle Verwendung finden. Die im Anspruch 5 angegebene erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht dabei in vorteilhafter Weise die Orientierung von axialen Merkmalen an rotationssymmetrischen Werkstücken, z. B. von Schweißnähten an längs geschweißten Rohren und/oder Wandstärkenminima an Innensechskantrohren.

Die im Anspruch 5 angegebene Weiterbildung kann aber auch bei anderen Meßverfahren als Wirbelstromverfahren verwendet werden, beispielsweise bei Orientierungsgeräten, die mit Streuflußverfahren (beispielsweise unter Verwendung von Hallsensoren) arbeiten.

Claims

1. Wirbelstromsensor mit einer Meßspule, in deren magnetischem Feld das zu erfassende Objekt angeordnet ist, und einer Referenzspule sowie einem Sinusgenerator, dessen Ausgangssignal an die Spulen angelegt ist, deren Ausgangssignale mittels eines Subtrahierers voneinander subtrahiert werden, dessen Ausgangssignal an einen ersten Demodulator direkt und an einen zweiten Demodulator über einen 90°-Phasenschieber angelegt ist, wobei an den Demodulatoren als zusätzliches Signal das über einen Phasenschieber mit einstellbarem Phasenwinkel verschobene Ausgangssignal des Sinusgenerators angelegt ist, und der Phasenwinkel so gewählt ist, daß Störsignale in der so gebildeten Signalebene eine bestimmte Richtung haben, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangssignal des ersten Demodulators über einen Verstärker mit einstellbarem Verstärkungsfaktor (a) und das Ausgangssignal des zweiten Demodulators über einen Verstärker mit einstellbarem Verstärkungsfaktor (b) an einen weiteren Subtrahierer angelegt ist, dessen Ausgangssignal (U_trig) beispielsweise über eine Triggerschwelle als Maß für das zu erfassende Objekt herangezogen wird, und
daß die Verstärkungsfaktoren a und b vor der Überprüfung einer Reihe von Objekten so eingestellt werden, daß zwischen dem vorgegebenen Winkel α zwischen Nutz- und Störsignal und den Faktoren a und b gilt: a/b=tan α

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nutzsignal in Richtung einer Achse der gebildeten Signalebene liegt.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem weiteren Subtrahierer ein weiterer Verstärker mit einstellbarem Verstärkungsfaktor (c) nachgeschaltet ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor den beiden Verstärkern mit einstellbarem Verstärkungsfaktor (a, b) und/oder dem weiteren Verstärker Signalformerstufen vorgesehen sind.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalformerstufen eine Hochpaß-, Tiefpaß-, Differenzier- und/oder Integrierfunktion haben.

6. Wirbelstromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen von axialen Merkmalen, wie z. B. Schweißnähten bei ansonsten rotationssymmetrischen Werkstücken zunächst das Werkstück um mehr als 360° gedreht wird, und daß zum Positionieren des Merkmals über der Meßspule das Werkstück anschließend so gedreht wird, daß das Ausgangssignal U_trig des weiteren Subtrahierers den Wert U_max-[U_max-U_min] _* derreicht mit d typischerweise: 0,01 . . . 0,25.