DE4002633A1 - Sensor virtuell rotierender/wandernder art - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor virtuell rotierender/ wandernder Art, zur vorwiegend induktiven Detektion von Wirbelstrom- und Streufluß-Magnetfeldern in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung bei der Abtastung von Oberflächen, bestehend aus einer meist nahe zueinander befindlichen Anordnung von Primärwechselfeld-Erzeugerspule und mehreren Einzelsensoren, die mit einer Elektronik verbunden sind.

In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung werden seit geraumer Zeit in einer Scheibe rotierende Wirbelstromsensoren erfolgreich zur Prüfung großer, ebener Oberflächen, z. B. bei Blechen, angewendet. Dies ist von beinahe Punktrotation des Sensors bis zu beliebig großen Kreisbahnen möglich. Die rotierenden Sensoren können dabei zusätzlich quer über die Oberfläche bewegt werden, so daß sich mit dem Sensorrotierdurchmesser entsprechend breite Prüfspurbänder ergeben, die aneinandergrenzend lückenlose Prüfungen ermöglichen, wenn eine weitere relative Bewegung in Längsrichtung erfolgt. Nur der punktrotierende Sensor erfaßt dabei kontinuierlich Längs- und Quer-Fehler. Auch bei Rohren kommen solche Rotierscheiben zur Anwendung, doch eignen sie sich wegen der tangentialen Abtastung nur optimal zur Schweißnahtprüfung.

Zur Signalübertragung werden Rotierübertrager und zum Antrieb ein Dreh- und Lagermechanismus benötigt. Durch beides sind bislang der Miniaturisierung Grenzen gesetzt. Aufgrund dieser erzwungenen Massen und Geometrien für den Rotierscheiben- Sensor, sind bisher meist folgende Anwendungen selbst als Punkt-Rotiersensor versagt:

• - zur Innenprüfung kleinerer Rohre,
• - zum Einbau in einen bereits rotierenden Prüfhebel,
• - zum Prüfen in spaltähnlich begrenzten Freiräumen,
• - oder wo sperrende, ragende Fremdgegenstände das Abfahren einer kontinuierlichen Prüfspur verhindern,
• - außerdem wird bei gewölbten Flächen nur ein Stück Mantellinie erfaßt, was hier den Einsatz des Rotierscheiben-Sensors sehr begrenzt.

Diese genannten Einschränkungen zumindest großteils aufzuheben, ist die Aufgabe dieser Erfindung.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt erfindungsgemäß nach den Merkmalen der gestellten Patentansprüche und sei im folgenden in Anlehnung an einen mechanisch rotierenden Differenz-Punktsensor erklärt.

Zur Erzeugung von Wirbelströmen im Prüfobjekt sei darüber eine rund gewickelte Sendefeldspule (1) vorhanden und von einem Wechselstrom durchflossen. In dieser Spule befinden sich zwei auf Ferritkerne halbschalenförmig gewickelte Sekundärspulen, welche in Differenz geschaltet sind und nach außen einen Sensor mit zwei Anschlüssen bilden. Alle Spulenachsen sind parallel und stehen senkrecht zum Objekt. Rotiert nun diese Anordnung über einen Riß des elektrisch leitenden Objektes, so werden die vom Riß gestörten Magnetfelder (4) des Wirbelstromes in bekannter Weise von den zwei Sekundärspulen erfaßt. Rotiert der Sensor dabei genau mittig auf dem Riß, so ergibt sich bei sauberer Sensorsymmetrie aufgrund der Differenzschaltung kein Meßsignal. Erst durch Abweichen aus dieser Mittellage entsteht am Sensor-Außenanschluß ein Signal, und zwar mit je einem Maximum etwas links und rechts vom Riß. Mit einer nachfolgenden gesteuerten Gleichrichtung und einer Hochpaßfilterung bildet dieses Rißsignal eine einem Sinusverlauf ähnliche Anzeige auf einem Oszilloskop ab. Dieser Sinusverlauf kann bekannterweise digitalisiert werden und somit statt eines geschlossenen Kurvenzuges auch mit relativ wenigen Einzelpunkten dargestellt sein. Zu jedem dieser Punkte würde dann eine ganz konkrete Rotations-Winkellage gehören.

Anstelle einer echten Rotation des Sensors, werden nun erfindungsgemäß soviele getrennte Differenz-Spulensegmente (2) in die gleichbleibende Feldspule (1) eingebaut, wie n Punkte zur halben "Sinus"-Darstellung gewünscht werden. Jedes Sensorsegment kann nun, eventuell über je einen eigenen Vorverstärker, auf einen Multiplexer geführt werden, der nach Art eines Schieberegisters die Sensorsegmente als Kanäle einzeln nacheinander auf einen Verstärker durchschaltet. Nach diesem Verstärker entspricht die Meßsignalart im wesentlichen den bisher bekannten trägermodulierten Sensorsignalen bei der Wirbelstromprüfung, mit Phasen- und Amplituden-Modulation. Die Sensorsegmente können je als symmetrischer oder unsymmetrischer Kanal geschaltet sein. Sinnvollerweise wird dabei die Multiplexumschalt-Takt gleich der Periodendauer des Senderwechselfeldes gemacht, ist jedoch nicht zwingende Bedingung. Nach einem einmaligen Multiplexdurchlauf aller Sensorsegmente, ist somit eine virtuelle Rotation von scheinbar nur einem Sensor um 180°C entstanden. Durch die geometrisch symmetrische Ausführung eines jeden Einzelsensors aus zwei gleichen Spulen in Differenz geschaltet, ergibt sich nach der Rotation um 180° nichts prinzipiell neues mehr und es kann anstelle der fehlenden 180°-360° Rotation, entweder wieder rückwärts oder von vorn wieder beginnend weiter gemultiplext werden. Dabei ist auch nach allen 180°-Rotation eine Signalumpolung um 180 elektrische Grad eventuell sinnvoll, die entweder im Verstärker oder mit der folgenden gesteuerten Gleichrichtung vorgenommen werden kann. Zum besseren Verständnis der nunmehr erklärten Lösung mag die angefügte Zeichnung mit den Fig. 1 und 2 hilfreich sein.

Die Herstellung eines solchen Sensors mit möglichst vielen Segmenten erfordert eigentlich die Verschachtelung vieler Spulen ineinander. Durch die zwangsweise erzeugten vielen Kreuzungspunkte, sowie den entstehenden Platzmangel, ist hier eine Ausführung mit mehreren Windungen pro Spule nahezu unmöglich, auch weil sonst die Sensorsegmente untereinander unsymmetrisch werden. Symmetrie und damit größtmögliche Restspannungsarmut ist aber für Differenz-Sensoren eine unabdingbare Forderung. Die beste Lösung stellt eine jeweilige Ein-Windungsausführung aller Sensorsegmente (2) dar. Das hat aber zunächst den Nachteil, daß die meßbaren Spannungen äußerst klein sind und ungeheuer störempfindlich bleiben, vor allem im Hinblick auf den derzeit kleinsten industrieüblichen Punktsensor von 1 mm ⌀. Die häufig genutzte Möglichkeit, mit Resonanzabstimmung die kleinen Signalspannungen zu erhöhen, ist hier praktisch auch unmöglich, weil mit Ein-Windungsspulen keinerlei ausreichende Schwingkreisgüte erzielbar ist und weil Platz- und Frequenzvariationsfragen anstehen. Auch der Versuch mit konventioneller Schaltungstechnik schon nahe am Sensor den Signalpegel ausreichend zu erhöhen, ist höchst unbefriedigend und kann wieder zum unerwünschten Vergrößern des Sensor-Raumanspruches führen, zumal ein Schirmgehäuse des Sendefeldes wegen erforderlich wäre.

Über die gewonnenen Erkenntnisse der noch nicht veröffentlichten Anmeldung "P 39 09 729.3-52" des gleichen Erfinders, daß Hybridsensoren auch mitten in die starken Überlagerungs- Magnetfelder der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung einfügbar sind und funktionieren, ist auch hier ein Hybridaufbau von Vielfachsensoren und Chip-Schaltkreiselektronik ohne raumfüllende Schirmgehäuse möglich. Das umso wirkungsvoller, da es sich hier um viele Sensorsegment-Anschlüsse handelt, die zu bewältigen sind. Abhängig von der Spulengröße können also Mikroelektronikschaltkreise z. B. auch in die Sendefeldspule oder direkt außen drauf gebaut werden, so daß auch kleinste Meßsignalspannungen rauscharm mit geringsten stör- und restspannungsverursachende Einkopplungen verstärkt werden.

Ein weiterer enormer Fortschritt wird erfindungsgemäß nun auch darin erreicht, Rotations-Prüfspuren in konstantem Abstand auf einem gewölbten Prüfobjekt zu verwirklichen. Mechanisch rotierende Sensoren tun dies bislang zwangsweise nur auf einer Scheiben-Ebene mit tangentieller Annäherung. Der hier beschriebene Sensor virtueller Bewegung gestattet z. B. durch die Anordnung in einer flexiblen Feinstleiterplatine auch eine Wölbung der Abtastebene, mit oder ohne entsprechender Anpassung der Feldspule, nach der Art von sogenannten Sattelspulen. Dies eröffnet neue Prüfmöglichkeiten auch in kleinen Rohrdurchmessern bzw. Hohlräumen, oder sogar das Prüfen von "Dellen" auf Längs- und Querfehler zugleich.

Allgemein steigt die "virtuelle" Prüfgeschwindigkeit des Sensors proportional mit der angewendeten Sendefeldfrequenz, sofern der Multiplex-Takt mitgeführt wird und ist nicht durch Masse-Bewegungsprobleme begrenzt.

Mit dem beschriebenen Sensor werden also durch Wegfall von Rotierübertragern, Lagermechanismen, Antrieb und auch Stützführungsteilen zum Objekt erhebliche Miniaturisierungsgrade erreicht. Diese Miniaturisierbarkeit gestattet nun auch ein neues Prüfverfahren, wie im letzten mit 1. bezeichneten Anspruch gekennzeichnet ist.

Claims (9)

1. Sensor virtuell rotierender/wandernder Art, zur vorwiegend induktiven Detektion von Wirbelstrom- und Streufluß- Magnetfeldern in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung bei der Abtastung von Oberflächen, bestehend aus einer meist nahe zueinander befindlichen Anordnung von Primärwechselfeld- Erzeugerspule und mehreren Einzelsensoren, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleiche magnetfeldempfindliche, auch gepaarte, Sensoren von beliebiger Form und Fläche/Volumen in beliebig, aber vorwiegend gleichen Winkel- oder anderen Schritten aneinandergereiht, versetzt oder auch ineinanderverschachtelt sind und gemeinsam eine offene oder geschlossene Kette, Kranz, Kreis, Stern oder Scheibe bilden, so daß auch von einer Folge von mehreren Sensor-Segmenten (2) die Rede sein kann, daß die Sensor-Segmente (2) je für sich allein einen Magnetfeld-Absolutwert oder Differenzwert messen, daß von einer Verarbeitungselektronik diese Segmente nacheinander elektronisch abgetastet und die gemessenen Signalspannungen zeitlich aneinandergereiht werden, daß mit einer auch rechnergesteuerten Restspannungs- Memory-Kontrolle die Signalspannungsbeiträge eines jeden Segmentes noch korrigiert werden können, daß das verbleibende zeitkontinuierliche Signal phasengesteuert gleichgerichtet und über eine weitere Verarbeitung eine Grenzwertmeldung durchläuft und/oder auch eine Bildschirmdarstellung zeitlich oder vektoriell erzeugt wird.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorsegmente (2) in einer dünnen, flexiblen Platine (3) eingelagert sind und einen für gewölbte Oberflächen flexibel anpaßbaren Sensor bilden.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorsegmente alle als gleichflächige Rahmen auf einer gemeinsamen Schnittachse herum in gleichen Winkelschritten versetzt angeordnet sind und somit von allen parallel zu dieser Achse verlaufenden Primärmagnetfeldlinien entkoppelt sind.

4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch mehrere gleiche Sendefeldspulen, in Schritten aneinandergereiht, aber zueinander in phasenverschobenem oder nacheinander geschaltetem Betrieb eine Art Wander- oder Drehfeld erzeugen und sich in relativer Nähe bis zur gemeinsamen Verschachtelung mit den Sensorsegmenten befinden.

5. Sensor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorsegmente und Teile der Verarbeitungselektronik als Mikroelektronik-Chipschaltkreis nahe zueinander angeordnet und miteinander verschaltet sind, insbesondere wenn der Sensor aus 1-Windungssegmenten bestehen muß, daß die Chipschaltkreise sich auch innerhalb der Sensorsegmente und oder der Feldspule befinden können und damit einen Hybrid- Sensor bilden, daß eine besonders fangschleifenfreie Feinst- Verdrahtung und geometrisches Ausrichten der Chips vorwiegend parallel zum Magnetfeldmaximum kombiniert wird, daß die Sensorsegmente getrennte Meßkanäle bilden, die symmetrisch oder unsymmetrisch auf einen Multiplexer mit entsprechend vielen Eingängen führen, dessen Ausgang auf einen Verstärker führt mit einem sehr hohen Signalausgangspegel, daß die Meßkanäle noch vor dem Multiplexer je für sich einen extra Vorverstärker haben können und daß auch beliebig weitere Steuer- oder Verarbeitungsschaltkreise enthalten sein können.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroelektronik-Chipschaltkreise teilweise oder ganz in einem oder mehreren ASIC-Chips zusammengefaßt sind und in enger Anordnung zu den Sensorsegmenten mit deren Anschlüssen verbunden sind.

7. Sensor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem primär erzeugten Mehrfrequenz-Magnetwechselfeld auch eine Mehrfrequenzauswertung der Sensormeßsignale in der Verarbeitungselektronik stattfindet, wobei sinnvollerweise die Sensorsegmente vom Multiplexer im Takt der längsten vorhandenen Wechselfeldperiode durchgeschaltet werden, oder mehrere parallel zu den Sensorsegmenten liegende Multiplexer verschiedene Taktzeiten erlauben.

8. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorsegmente gemeinsam mit elektronischen Schaltkreisfunktionen monolithisch in einem Substrat enthalten sind und auch einen Matrix-Multisensor mit anwählbaren Koordinaten bilden können.

9. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von längsverschiebbarem Rundmetall nach dem Wirbelstromprinzip mit einem Rotierkopf, dessen Prüfhebel relativ um das Rundmetall kreisen und dabei oberflächennahe Fehler beliebiger Ausrichtung abtasten, gleichermaßen geltend für einen Innenrotierkopf zur Prüfung von Rohren oder Hohlräumen, mit Sensoren nach den voraus beschriebenen Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach den voraus beschriebenen Ansprüchen 1 bis 8, solche Sensoren virtuell rotierender/wandernder Art in die Prüfhebel eingebaut sind, gemeinsam mit oder anstelle der bisher üblichen meist richtungsorientierten statischen Sensoren und zusätzlich auf echten Kreisbahnen rotieren, zur gleichzeitigen Abtastung von Längs- und Querfehlern.