DE3834248C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektrodynamischen Wandlerkopf gemäß dem
Gattungsbegriff des Hauptanspruches.
Ein entsprechender elektrodynamischer Wandlerkopf ist der GB 20 06 433 A 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. Zwischen der
polseitig zugewandten Seite der Wandlerspulen und der Stirnfläche des Magneten
ist ein Zwischenteil mit einer isolierenden Schicht angeordnet, das mit der
Stirnfläche des Elektromagneten und mit der an der isolierenden Schicht
angrenzenden Spule fest verbunden ist. 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. Die aus dem Polschuh kommenden
Ultraschallstörsignale, infolge der nicht gezielt unterdrückten
Ultraschallanregungen im Magnetpolschuh, behindern die Auswertung der
einlaufenden Signale und die nicht ausreichend gedämpften Schwingungen des
Wandlerspulensystems vergrößern die nicht nutzbare Totzeit der
Verstärkerelektronik.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten 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 im Magnetsystem als
auch in der Wandlerspule weitgehend unterdrückt bzw. gedämpft 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 A1). 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 diesem
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 (16)
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 Schicht und zwischen sich und
dieser Stirnfläche ein Zwischenteil mit einer
isolierenden Schicht aufweist, das mit der Stirnfläche
und mit der an der isolierenden Schicht angrenzenden
Spule fest verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Zwischenteil (10) aus mindestens zwei Schichten
(11, 12) besteht, wobei eine (12) der Schichten
elektrisch leitend ist, deren Materialdicke für ein
gegebenes Hochfrequenzfeld größer ist als die Skintiefe.
2. Wandlerkopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine der Schichten aus einem Kunststoff besteht.
3. Wandlerkopf nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kunststoffschicht in Form einer Folie
ausgebildet ist.
4. Wandlerkopf nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kunststoffschicht aus einer aushärtbaren
Vergußmasse gebildet wird.
5. Wandlerkopf nach Anspruch 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 die elektrisch leitende Schicht (12) Kupfer ist.
8. Wandlerkopf nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kupferschicht als dünnwandige Folie ausgebildet
ist.
9. Wandlerkopf nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Folie mehrere parallel liegende Schlitze
aufweist.
10. Wandlerkopf nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kupferschicht als Drahtgeflecht ausgebildet ist.
11. Wandlerkopf nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand der Kupferschicht zu der Wandlerspule
(7, 8) größer als 0,2 mm und der Zwischenraum (13)
mit Kunststoff aufgefüllt ist.
12. Wandlerkopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Zwischenteil aus mehreren miteinander
verbundenen Schichten besteht.
13. Wandlerkopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Magnetsystem als Elektromagnet ausgebildet ist.
14. Wandlerkopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Magnetsystem als Permanentmagnet ausgebildet
ist.
15. Wandlerkopf nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Permanentmagnet aus Nd-Fe-B besteht.
16. Wandlerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandlerspule in Form eines Spulensystems mit
getrennt angeordneten Empfänger- und Sendespulen
ausgebildet ist.
Priority Applications (4)
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