DE3834248A1 - Elektrodynamischer wandlerkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrodynamischen Wandlerkopf gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.

Ein entsprechender elektrodynamischer Wandlerkopf ist der GB 20 06 433 zu entnehmen. Der mit einem Elektromagneten ausgestattete Wandlerkopf weist einen äußeren ringförmig ausgebildeten Polschuh und einen koaxial dazu angeordneten inneren Polschuh auf. Dieser innere Polschuh besteht ebenfalls aus zwei koaxial zueinander angeordneten Abschnitten, die axial gegeneinander verschiebbar sind. Auf der dem Werkstück zugewandten Stirnfläche des inneren Polschuhes sind die Sender- und Empfangsspulen angeordnet. Damit diese empfindlichen Teile mechanisch durch das Werkstück nicht zerstört werden, sind sie werkstückseitig durch eine Keramikschicht abgedeckt. Die polseitig zugewandte Seite der Wandlerspulen weist eine Isolierschicht auf. Dieser vorgeschlagene Wandlerkopf ist nicht für alle Anwendungsgebiete geeignet, speziell was die Verwendung eines Permanentmagneten betrifft. Außerdem wird mit dieser Anordnung die Wirbelstrombildung im Polschuh keineswegs unterdrückt und sie ist nicht geeignet, die mechanischen Schwingungen der Wandlerspulen selbst bzw. die Ultraschallausbreitung im Magneten zu dämpfen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrodynamischen Wandlerkopf zu schaffen, der einfach und kostengünstig herzustellen und universell einsetzbar ist und bei dem die zu Störanzeigen führenden Wirbelstrombildungen und mechanischen Schwingungen sowohl in der Wandlerspule als auch im Magnetsystem weitgehend unterdrückt sind.

Diese Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Elektrodynamische Wandlerköpfe sind in ihrer Funktionsweise und in ihrem Aufbau in der Fachliteratur ausführlich beschrieben worden. Sie bestehen im wesentlichen aus einer Wandlerspule bzw. aus einem Spulensystem mit verschiedenartig getrennt angeordneten Sender- und Empfangsspulen, die in einem statischen bzw. niederfrequenten magnetischen Feld gegenüber dem Werkstück und nahe dessen Oberfläche angeordnet sind. Die Wandlerspule wird mit HF-Pulsen beaufschlagt und erzeugt dabei Ultraschallimpulse im Werkstück. Der Empfang der reflektierten Ultraschallwellen aus dem Prüfling erfolgt mit dem reziproken Mechanismus. Da das Reflektions- oder Echosignal jedoch sehr klein ist gegenüber dem normalen piezo-elektrischen Verfahren mit direktem Kontakt, muß zum einen der Abtastschaltkreis für das Echosignal sehr empfindlich und zum anderen die Wandlerspule so dicht wie möglich an der Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes angeordnet sein. Das Prüfergebnis wird auch dadurch eingeschränkt, daß Störsignale, die durch parasitäre Ultraschallwellenanregungen im Magnetsystem entstehen, in der Größenordnung der Prüfsignale auftreten und von diesen nicht sicher unterschieden werden können.

Des weiteren wird die nicht nutzbare Totzone vergrößert, wenn mechanische Schwingungen infolge der Hochfrequenz-Beaufschlagung der Er­ regerspulen bzw. durch Wechselwirkung der Spulen untereinander entstehen.

Der erfindungsgemäße Vorschlag zeichnet sich dadurch aus, daß durch ein mindestens aus zwei Schichten bestehendes Zwischenteil, das zwischen der Wandlerspule und dem Magnetsystem angeordnet wird, zum einen die Wirbelstromanregungen im Magnetsystem und zum anderen die mechanischen Schwingungen im Spulensystem unterdrückt werden. Vorteilhafterweise ist eine Schicht des Zwischenteils elektrisch leitend, zum Beispiel in Form einer dünnen Kupferfolie, während die andere Schicht aus Kunststoff besteht. Die Dicke der Kupferfolie ist abhängig von der Frequenz des angelegten HF-Feldes und soll größer sein als die Skintiefe. Beispielsweise beträgt für ein Hochfrequenzfeld von 3 MHz die Skintiefe 38 µm. In einem solchen Fall würde man die Dicke der Kupferfolie im Bereich von 0,1 mm wählen. Die Kupferfolie ist hervorragend geeignet, eine Wirbelstromanregung im Magnetsystem zu verhindern. Zur Verbesserung der Wirkungsweise wird weiterbildend vorgeschlagen, die Kupferfolie mit mehreren parallel liegenden Schlitzen zu versehen oder alternativ die Kupferabschirmung in Form eines Drahtgeflechtes auszubilden. Infolge der Abschirmung kommt es zu Ultraschallwellenanregungen in der Kupferfolie, die durch die zweite aus einem Kunststoff bestehende Schicht des Zwischenteiles unterdrückt werden kann. Diese Kunststoffschicht kann ebenfalls in Form einer dünnen Folie oder vorteilhafterweise als aushärtbare Vergußmasse ausgebildet sein. Das Vergießen eröffnet zudem die Möglichkeit, die Wandlerspulen bzw. ganzes Spulensystem selbst mit einzubetten, um die störenden Wechselwirkungen untereinander zu unterdrücken. Alternativ kann die dämpfende Kunststoffschicht auch aus einer oder mehreren Lagen eines aufgebrachten Kunststoffklebers bestehen.

Zur Verstärkung des abschirmenden und dämpfenden Effektes kann das Zwischenteil aus mehreren miteinander verbundenen Schichten bestehen, wobei mindestens eine Schicht davon elektrisch leitend ist.

Für das Magnetsystem wird ein üblicher Permanentmagnet oder ein Elektromagnet verwendet. Im Falle der Verwendung eines Elektromagneten werden häufig geblechte bzw. geschlitzte Polschuhe eingesetzt, um die Wirbelstromanregungen zu unterdrücken (DE 34 01 072). Die Anbringung des vorgeschlagenen Zwischenteiles ist aber fertigungstechnisch einfacher und kostengünstiger. Im Gegensatz zu geschlitzten Polschuhen bleibt auch das Magnetfeld beim Einsatz eines solchen vorgeschlagenen Zwischenteiles unbeeinflußt. Besondere Vorteile bietet jedoch der Einsatz eines Zwischenteiles, wenn der Wandlerkopf mit einem Permanentmagnetsystem ausgestattet ist. Durch die Verwendung eines Permanentmagneten kann der elektrodynamische Wandlerkopf besonders klein ausgebildet werden, was für viele Anwendungsfälle von besonderem Vorteil ist. Die üblichen Permanentmagnetwerkstoffe erlauben nur eine bedingte mechanische Bearbeitung, so daß Ultraschallstörsignale in diesem Falle nur durch das erfindungsgemäße Zwischenteil unterdrückt werden können.

Der elektrodynamische Wandlerkopf kann je nach Anwendungsfall verschiedenartig ausgebildet sein, z.B. als Winkelprüfkopf. In diesem Falle sind die Erreger bzw. Empfangsspulen vom Magnetsystem annähernd gleich weit entfernt wie vom Prüfling. Bei unzureichender Abschirmung des Magnetsystems kann es hier zu vergleichbar starker Ultraschallanregung wie im Prüfling selbst und damit zum Empfang entsprechend großer Störsignale kommen. Die erfindungsgemäße Anordnung einer Kupferfolie zwischen Wandlerspule und Magnetsystem bewirkt eine Abschirmung des Magnetsystems gegen die Hochfrequenzströme der Erregerspulen. Bei entsprechender Dicke der Kupferfolie (0,05 bis 0,1 mm bei einer Erregerfrequenz von 1 MHz bis 2 MHz) werden ausschließlich in der Kupferfolie Wirbelströme angeregt.

Bedingt durch die Spulenanordnung des Winkelprüfkopfes kann es in der Kupferfolie zur Anregung von Plattenwellen kommen, die ebenfalls als Störsignale empfangen werden. Aus diesem Grunde wird spulenseitig auf der Kupferfolie eine stark schallschwächende Kunststoffschicht aufgebracht, die die Ausbreitung von Plattenwellen in der Kupferfolie unterdrückt.

In der Zeichnung wird ein Beispiel des erfindungsgemäßen Wandlerkopfes mit Permanentmagneten näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Wandlerkopf,

Fig. 2 das erfindungsgemäße Zwischenteil im vergrößerten Maßstab.

Der Wandlerkopf 1 besteht aus einem in diesem Beispiel aus einem E-Magnetsystem, mit einem Permanentmagneten 2 und dem U-förmigen Rückschluß 3. An den Enden 4, 4′ des Rückschlusses 3 sind zum Verschleißschutz Hartmetallteile 5, 5′ angeordnet, so daß der Wandlerkopf direkt auf das zu prüfende Werkstück 6 aufgesetzt werden kann. Das am Ende des Permanentmagneten 2 angeordnete Spulensystem, hier bestehend aus getrennt angeordneten Erreger- 7 und Empfangsspulen 8 ist werkstückseitig mit einem nichtleitenden Verschleißschutz 9 versehen. Dieser Verschleißschutz 9 kann zum Beispiel ein Keramik- oder ein Kunststoffplättchen sein. Auf der dem Permanentmagneten 2 zugewandten Seite ist das erfindungsgemäße Zwischenteil 10 fest mit dem Spulensystem verbunden.

In Fig. 2 ist das erfindungsgemäße Zwischenteil 10 im vergrößerten Maßstab dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel besteht es aus einer Abschirmung für die Wirbelstromanregung in Form einer Kupferfolie 12, die in Richtung des Magneten 2 in einem bestimmten Abstand zu den Erreger- 7 und Empfangsspulen 8 angeordnet ist. Der sich dadurch ergebende Zwischenraum ist mit einer Vergußmasse 13 aus einem gießfähigen Kunststoff ausgefüllt. Mit der Einbettung der Wandlerspulen 7, 8 können die störenden Wechselwirkungen untereinander unterdrückt werden. Die zweite Schicht des Zwischenteiles 10 ist eine dämpfende Kunststoffschicht 11, die zwischen der Kupferfolie 12 und dem Permanentmagneten 2 angeordnet ist. Mit dieser Schicht 11 können die durch die Abschirmung entstehenden Ultraschallwellen in der Kupferfolie 12 stark gedämpft werden.

Claims (17)

1. Elektrodynamischer Wandlerkopf zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken mit elektrisch leitfähiger Oberfläche mittels Ultraschall, mit einem Magnetsystem zur Erzeugung eines statischen oder niederfrequenten Magnetfeldes und mindestens einer an der dem Werkstück zugewandten Stirnfläche des Magnetsystems angeordneten Wandlerspule, die auf der dem Werkstück zugewandten Seite eine verschleißfeste und gegenüber dem Magnetsystem eine isolierende Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein mindestens aus zwei Schichten bestehendes im Bereich der Wandlerspule und dem Magnetsystem angeordnetes Zwischenteil einerseits mit dem Magnetsystem andererseits mit der Wandlerspule fest verbunden ist.

2. Wandlerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Schichten aus einem Kunststoff besteht.

3. Wandlerkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht in Form einer Folie ausgebildet ist.

4. Wandlerkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht aus einer aushärtbaren Vergußmasse gebildet wird.

5. Wandlerkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht aus ein oder mehreren Lagen eines Klebers gebildet wird.

6. Wandlerkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerspule in einer gießfähigen Kunststoffmasse eingebettet ist.

7. Wandlerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Schichten aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff besteht.

8. Wandlerkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitfähige Werkstoff Kupfer ist.

9. Wandlerkopf nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Kupferschicht als dünnwandige Folie ausgebildet ist, deren Dicke für ein gegebenes Hochfrequenzfeld größer ist als die Skintiefe.

10. Wandlerkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie mehrere parallel liegende Schlitze aufweist.

11. Wandlerkopf nach den Ansprüchen 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Kupferschicht als Drahtgeflecht ausgebildet ist.

12. Wandlerkopf nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Kupferschicht zu der Wandlerspule größer als 0,2 mm ist und der Zwischenraum mit Kunststoff aufgefüllt ist.

13. Wandlerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenteil aus mehreren miteinander verbundenen Schichten besteht.

14. Wandlerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem als Elektromagnet ausgebildet ist.

15. Wandlerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem als Permanentmagnet ausgebildet ist.

16. Wandlerkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet aus Nd-Fe-B besteht.

17. Wandlerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerspule in Form eines Spulensystems mit getrennt angeordneten Empfänger- und Sendespulen ausgebildet ist.