DE4026295C2

DE4026295C2 -

Info

Publication number: DE4026295C2
Application number: DE4026295A
Authority: DE
Inventors: Duane P. San Mateo Calif. Us Johnson; Yehuda Pleasanton Calif. Us Krampfner
Original assignee: Failure Group Inc
Current assignee: Exponent Inc
Priority date: 1990-05-25
Filing date: 1990-08-20
Publication date: 1993-08-05
Also published as: US5047719A; DE4026295A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur zerstörungsfreien Wirbelstromuntersuchung von elektrisch lei tenden Prüflingen im Reflexionsbetrieb. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung zur zerstörungsfreien Wirbelstromuntersuchung von leitenden Prüflingen, die kurvenförmig ausgebildet sind oder eine Kon tur aufweisen.

Seit vielen Jahren wird versucht, eine Einrichtung und ein Verfahren zum zerstörungsfreien Untersuchen und Prüfen von kritischen Teilen, beispielsweise Flugzeugteilen, Automobil bauteilen, Trägern für Gebäude und Turbinenschaufeln zu schaffen. Es wurde eine Vielzahl von Verfahren zur zerstö rungsfreien Untersuchung entwickelt. Eines der zweckmäßigsten ist die Wirbelstromprüfung. Bei diesem Verfahren wird ein aus einer Drahtspule bestehender Induktor im physikalischen Sinne nahe bei dem zu testenden, elektrisch leitenden Prüfling an geordnet und die Spule wird mit einem Sinussignal einer Fre quenz von einigen Hertz bis zu 100 MHz gespeist. Das Magnet feld der Spule dringt bis zu einem gewissen Grad in das In nere des Prüflings ein und induziert einen Wirbelstrom. Durch Erfassung der Reaktion der Spule auf das angelegte Signal kann eine Abschätzung der Impedanz der gesamten Einrichtung erhalten werden. Wenn die Spule dann um eine kurze Distanz bezüglich des zu untersuchenden Prüflings bewegt wurde, wird das Verfahren wiederholt, und ein ähnlicher Wert kann erhal ten werden. Auf diese Weise kann der gesamte Prüfling unter sucht werden. Unstetigkeiten in der Abfolge der abgetasteten Werte, die nicht den vom Entwicklungsingenieur beabsichtigten Unstetigkeiten entsprechen, weisen auf fehlerhafte Stellen, wie etwa Risse, Hohlräume oder dergleichen, hin.

Derartige Spuleneinrichtungen sind an sich bekannt. Auch fle xible Spuleneinrichtungen sind an sich bekannt (US-PS 45 93 245, US-PS 47 06 020 und US-PS 46 39 708), da viele Prüflinge keine einfachen, ebenen Formen aufweisen.

Normalerweise sind die Spulen Teile eines Ausgleichskreises, z. B. einer Wheatstone-Brückenschaltung, welche ein sehr ge naues und einfaches Verfahren zum Messen von Impedanzänderun gen in der Spule ermöglicht. Der Schaltkreis wird auf Null abgeglichen, und danach kann jede Abweichung von der Null-Po sition des Schaltkreises einfach gemessen werden. Beispiels weise werden in der US-PS 41 07 605 ein oder zwei Sätze von vier jeweils spiralförmigen Spulen in einer Brückenschaltung verwendet, wobei diese auf einem flachen oder einem ein Pro fil aufweisenden Träger derart angeordnet sind, daß sie an die Oberfläche des zu untersuchenden Prüflings angepaßt sind.

Ein Ausgleichskreis für Mehrfachspulen-Wirbelstrom-Meßein richtungen ist in der US-PS 46 51 093 beschrieben. Das Prüfen von Werkstücken durch Wirbelstromverfahren im allgemeinen ist in der US-PS 45 43 528 und der US-PS 38 86 793 beschrieben. Andere Schaltkreise zur Verwendung mit Wirbelstromabstands meßdetektoren sind in der US-PS 42 88 747 und der US-PS 40 42 876 beschrieben.

Es ist ebenfalls bekannt, die Spulen in einfacher Form auszu bilden, wie es bei gedruckten Leiterbahnen auf einem Träger erwünscht ist (US-PS 43 01 821). Dort sind spiralförmige In duktoren zeigt, die auf beiden Seiten eines flexiblen Trägers aufgedruckt sind und miteinander durch kontaktierende Löcher bzw. plattierte Bohrungen in der Mitte verbunden sind.

Bei der Verwendung einer einzelnen Induktorspule zur Erzeu gung eines Wirbelstroms in einem Werkstück für Prüfzwecke ist es erforderlich, daß die Sonde über die gesamte Oberfläche des zu untersuchenden Prüflings bewegt wird. Offensichtlich ist es wünchenswert, diesen komplizierten Vorgang zu vermei den. Die US-PS 46 51 093 zeigt eine Sonde, die aus einer Spu lenanordnung von einzelnen Spulen besteht, welche einzeln über separate mit einem Multiplexer verbundene Leitungen an gesprochen werden, um die Anzahl der erforderlichen Bewegun gen zu reduzieren.

Die Auflösung eines derartigen Geräts, d. h., der Vermögen, ein "Bild" von einer in einem Prüfling zu findenden Fehl stelle anzufertigen, wird durch die Anzahl der Spulen in der Sondenanordnung einfach dadurch eingeschränkt, daß die Anzahl der Drähte, welche in sinnvoller Weise zwischen Multiplexer und Sonde vorgesehen werden können, begrenzt ist.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde versucht, Spulenein richtungen zu entwickeln, bei denen Spulen in Reihen und Spalten auf einem flexiblen Träger angeordnet sind, so daß sie einzeln angesteuert werden können, wobei die von jeder Spule gemessenen Impendanzsignale miteinander verglichen wer den, um die Fehlstellen in einem unterhalb der Spulenanord nung befindlichen Prüfling lokalisieren zu können. So ist beispielsweise in Fig. 2 eine aus sechzig Elementen beste hende bekannte Prüfsonde 10 gezeigt. Die bekannte Sonde 10 besteht aus einer Spulenanordnung von sechs Reihen von Spu len, wobei jede der Reihen aus zehn einzelnen Spulen 12 be steht, von denen jede wie in Fig. 3 gezeigt aufgebaut ist. Der Schaltkreis der Sonde 10 ist in Fig. 4 gezeigt. Ein An schluß jeder der Spulen 12 in jeder der sechs Reihen ist ge meinsam mit einen Reihenanwählschalter verbunden und der zweite Anschluß einer jeden der Spulen 12 jeder Spalte ist einem Spaltenanwählschalter verbunden. Wenn es erwünscht ist, einen unter dem Träger 18, auf dem die Spulen und die die Spulen miteinander verbindenden Leitungen ausgebildet sind, liegenden Prüfling zu untersuchen, wird ein Signal zwischen der betreffenden Reihenleitung bei 20 und der entsprechenden Spaltenleitung bei 22 angelegt. Da die Spulen 12 in den Rei hen und Spalten parallel geschaltet sind, kommt es zu erheb lichen "Leckverlusten", weil das Anregungssignal nicht nur die einzelne, an einem bestimmten Ort angeordnete Spule son dern auch alle anderen Spulen der Spulenanordnung bis zu ei nem Ausmaß, das von dem Widerstand der einzelnen Spulen und der Anzahl der Spulen abhängt, ansteuert.

Bei der in Fig. 2 gezeigten sechzig-teiligen Spulenanordnung erhält die betreffende, direkt verbundene Spule ungefähr 25% der Energie, während 75% der Energie unter den anderen Spu len der Spulenanordnung verteilt werden, wobei keine der Spu len mehr als 6% der Gesamtenergie erhält. Da die direkt angesteuerte Spule viermal mehr Energie erhält als die ande ren Spulen, ist das sich verändernde Impedanzsignal größer als das der anderen Spulen, so daß das Signal-Rausch-Verhält nis nicht unbrauchbar klein wird. Wenn die Anzahl der Ele mente in der Spulenanordnung jedoch erhöht wird, wird die Differenz zwischen der Energie zur Ansteuerung der an der Verbindungsstelle zwischen den Reihen und der mit Energie versorgten Spalte angeordneten Spule und der die anderen Spu len antreibenden Energie erheblich vermindert. Dadurch ist die Anzahl von sinnvollerweise vorzusehenden Spulen bei der in Fig. 2 bis 4 gezeigten Einrichtung begrenzt. Da es wün schenswert ist, daß die Spulen nahe beieinander liegen, um eine gute Auflösung der entsprechend kleinen Fehlstellen in dem zu untersuchenden Prüfling zu gewährleisten, eignet sich die Einrichtung von Fig. 2 nur zur Untersuchung verhältnis mäßig kleiner Bereiche der Prüflinge. Deshalb ist diese Ein richtung nicht dazu geeignet, das Problem der physikalischen Bewegung der Sonde über dem zu untersuchenden Prüfling zu lö sen.

Es ist möglich, wie in der Einrichtung gemäß der US-PS 46 51 093 getrennte Verbindungen zu jeder der Spulen vorzusehen. Dies würde ein individuelles Ansteuern jeder Spule ermögli chen. Dies würde jedoch eine separate Verbindung zu jeder einzelnen Spule erforderlich machen, was zu einer viel zu großen Anzahl von Verbindungsleitungen führen würde. Bei spielsweise würde die Spulenanordnung aus Fig. 2 mit n Reihen und m Spalten daher n+m Leiter und eine Erdungsleitung benötigen. Wenn jede einzelne Spule der Spulenanordnung sepa rat angeschlossen wäre, würde dies (n×m)+1 Leitungen er fordern, eine Anzahl von Leitungen also, die schwer zu hand haben ist, selbst für eine verhältnismäßig kleine Spulenan ordnung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Einrichtung von Fig. 2 wird im "Impedanz-Betrieb" betrieben, bei welchem der zur Induktion eines Wirbelstroms in dem zu untersuchenden Prüfling dienende Induktor auch zur Erfassung der "Antwort" des Prüflings verwendet wird. Die Impedanz einer Steuerspule im freien Raum ist bekannt und beim Anlegen der Spule an den zu untersuchenden Prüfling auftretende Impedanzänderungen werden gemessen. Plötzliche Impendanzänderungen lassen Unste tigkeiten im Prüfling vermuten.

Alternativ zur Wirbelstromuntersuchung im "Impedanzbetrieb" kann die Untersuchung im "Reflexionsbetrieb" durchgeführt werden. Dabei leitet ein erster Leiter einen einen Wirbel strom in den Prüfling induzierenden Strom und ein anderer Leiter wird zur Messung der entsprechenden induzierten Span nung verwendet. Auch hierbei werden die elektromagnetischen Eigenschaften aufeinanderfolgender Bereiche des Prüflings nacheinander vermessen, so daß Änderungen dieser Eigenschaf ten, die nicht den erwünschten Unstetigkeiten eines Bereiches entsprechen, Fehlstellen anzeigen. Auch Einrichtungen mit Reflexionsbetrieb mit einer Vielzahl von Leitern sind be kannt, mit denen nacheinander Bereiche eines zu untersuchen den Prüflings durchgemessen werden, ohne den Sensor physika lisch über den Prüfling zu bewegen. Einzelne Spulen einer An ordnung von Steuerspulen werden nacheinander durch ein ge eignetes Signal angesteuert und die von einer Anordnung von Detektorelementen abgetasteten induzierten Spannungen werden verglichen, um Fehlstellen zu ermitteln.

Aus der US-PS 47 06 021 ist ein Detektor mit gekreuzten Dräh ten bekannt, bei dem ebenfalls Wirbelströme verwendet werden. Diese Einrichtung weist, wie in Fig. 2 der US-PS 47 06 021 gezeigt ist, eine erste Reihe von parallelen Drähten 18 auf, die sich in einer ersten Richtung erstrecken und so angeord net sind, daß sie nacheinander durch einen Multiplexumschal ter 27 mit einer Energiequelle 26 verbunden werden können. Die anderen Enden der Drähte sind miteinander verbunden und in der gezeigten Weise geerdet. Eine orthogonal angeordnete, zweite Spulenanordnung von parallelen Drähten 24 wird nahe dem ersten Satz von Drähten angeordnet, jedoch elektrisch da von isoliert. Ein erstes Ende der zweiten Serie von Drähten 24 ist miteinander verbunden und geerdet, während ein zweiter Multiplexumschalter 29 verwendet wird, um die Drähte 24 nach einander mit einer Verarbeitungselektronik 31 zu verbinden, welche die in die einzelnen Drähte 24 induzierten Signale vergleicht. Eine plötzliche Veränderung des von einem Draht zum anderen abgetasteten Signals kann das Vorhandensein einer Fehlerstelle 28 in einem Prüfling 22 bedeuten.

Ein Nachteil der Einrichtung nach der US-PS 47 06 021 ist die durch den Aufbau bedingte, schlechte Auflösung von kleinen Fehlstellen. Um den Schalt- und Aufnahmekreis zu schließen, müssen die gezeigte Erdungsleitungen zu der Verarbeitungs elektronik zurückgeführt werden. Diese Drähte verhalten sich wie relativ große Spulen einer Größenordnung wie die der ge samten Spulenanordnung. Es ist bekannt, daß die Empfindlich keit einer Spule bezüglich kleiner Fehlstellen indirekt pro portional zu der Spulengröße ist. Ein zweiter Nachteil dieser Einrichtung ist die große und variable Kopplung zwischen den Steuerleitungen und den Abnehmerleitungen. Aus Fig. 2 der US-PS 47 06 021 ist zu erkennen, daß die induktive Kopplung zwi schen dem Steuerschaltkreis und dem Abnehmerschaltkreis di rekt von der physikalischen Überlappung zwischen dem Steuer schaltkreis und dem Abnehmerschaltkreis abhängt. Wenn die Steuerspannung mit der oberen Leitung verbunden ist, wird die in den Abnehmerschaltkreis induzierte Spannung erheblich größer, wenn der Verarbeitungsschaltkreis mit der äußersten linken Leitung verbunden wird als wenn der Verarbeitungs schaltkreis mit der äußersten rechten Leitung verbunden ist. Diese "inneren" Signaländerungen sind viel größer als die durch kleine Fehlstellen erzeugten Änderungen.

Ein dritter Nachteil der in der US-PS 47 06 021 beschriebenen Einrichtung ist die Tatsache, daß, wenn sich eine Fehlstelle, beispielsweise ein Riß oder ein Kratzer, in einer Richtung parallel zu der Längsausdehnung der Steuerdrähte 24 er streckt, die Fehlstelle oft nicht gefunden wird. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird in der US-PS 47 06 021 unter Be zugnahme auf Fig. 7 beschrieben, daß zwei Sätze von zuein ander orthogonalen Detektordrähten benutzt werden, um sicher zustellen, daß Fehlstellen parallel zu beiden Sätzen erfaßt werden. Das Problem wird hierdurch jedoch nur teilweise ge löst. Es ist ganz offensichtlich wünschenswert, die Empfind lichkeit bezüglich der Rißorientierung auszuschalten.

Aus der US-PS 47 33 023 ist ein System zum Digitalisieren von Koordinatenpositionen bekannt, um die Position eines Abtastelementes relativ zu einer Platte in horizontalen und vertikalen Richtungen zu ermitteln, wobei das sequentielle Umschalten von vertikalen und horizontalen Leitern eingesetzt wird. Das Abtastelement, beispielsweise ein Magnetflußsensor, ist bewegbar auf einer die Position bestimmenden Platte angeordnet, um ein Signal in Abhängigkeit von Feldschwankungen auf der Platte zu erzeugen, die durch die selektive Ansteuerung der horizontalen bzw. vertikalen Leiter erzeugt werden. Eine Recheneinheit erzeugt Positionsdaten, die die Position des Magnetfeldsensors auf der Platte angeben, wobei der Magnetfeldsensor in eine physikalisch nahe Lage bzgl. der Platte gebracht wird. Die Positionsdaten werden auf der Basis der Stärke der von dem Magnetfeldsensor abgeleiteten Signale erzeugt. Das System betrifft nicht die Anwendung auf die zerstörungsfreie Wirbelstromuntersuchung elektrisch leitender Prüflinge und ist auch nicht auf diese Anwendung abgestimmt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur zerstörungsfreien Wirbel stromuntersuchung von elektrisch leitenden Prüflingen anzuge ben, wobei eine Messung mit verbessertem Signal-Rausch-Ver hältnis und die Möglichkeit gegeben ist, die Messung im Refle xionsbetrieb mit Wirbelstrom in einer flexiblen Spulenanord nung durchzuführen, die an die Form der Prüflinge angepaßt werden kann. Insbesondere soll auch die flexible Spulenein richtung in einfacher Weise preisgünstig herstellbar sein.

Lösungen dieser Aufgabe sind in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Steuerspu len in Spalten angeordnete Halbspulenpaare auf, und die De tektorspulen weisen in Reihen angeordnetete Halbspulenpaare auf. Die Halbspulen der Spalten sind wie die Halbspulen der Reihen miteinander in Reihe geschaltet, so daß die Streuin duktion, die mit dem zurückführenden Schaltkreis verbunden ist, im wesentlichen ausgeschaltet wird. Da jedes Paar von Halbspulen gemeinsam wie eine kreisförmige Spule wirkt, sind die Spulenanordnungen in gleichem Maße für jede beliebige Rißorientierung empfindlich.

Ein Schalter zur sukzessiven Zuführung von Anregungsenergie zu den verschiedenen Spalten und ein entsprechender Schalter zum Verbinden der verschiedenen Reihen mit einem Detektor schaltkreis ist vorgesehen. In dem bevorzugten Ausführungs beispiel ist ein Multiplexer vorgesehen, um die Anregungs energie umzuschalten und ein Ausgangssignal zu verstärken und umzuschalten. Ein rechnergesteuertes Wirbelstrom-Meßgerät wird zur Steuerung des Multiplexers und zur Verarbeitung der Testergebnisse und zur Anzeige derselben verwendet. In Abhän gigkeit vom Anwendungsbereich kann der Multiplexer an der Spuleneinrichtung oder am Meßgerät angebracht werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wer den nun anhand der beiligenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den Gesamtaufbau einer Meßanordnung aus dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Spulenanordnung der Meßein richtung von Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung einer Spule der Spulen anordnung von Fig. 2;

Fig. 4 einen Schaltkreis zu der Spulenanordnung nach Fig. 2;

Fig. 5 ein Wirbelstrom-Meßgerät gemäß der Erfindung;

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Detektorseite der erfindungsgemäßen Einrichtung;

Fig. 7 eine entsprechende schematische Darstellung der Steu erseite der erfindungsgemäßen Einrichtung; und

Fig. 8 einen effektiven Schaltkreis der Spulenanordnung ge mäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau einer bekannten Meßeinrichtung. Gemäß der vorliegenden Erfindung ersetzt die in Detail in Fig. 6-8 gezeigte Spuleneinrichtung die Spuleneinrichtung 10 aus Fig. 1. In der Meßeinrichtung ist ein computergesteu ertes Wirbelstrom-Meßgerät 30 mit einem Multiplexer 32 ver bunden. Der Multiplexer 32 weist eine Vielzahl von internen Schaltern auf, die in Antwort auf Steuersignale, die über eine Steuerleitung 34 vom Meßgerät 30 abgegeben werden, ge schlossen werden, um das Meßgerät mit ausgewählten Reihen und Spalten der Detektoranordnung aus Fig. 2 zu verbinden. Wenn die Meßeinrichtung durch wiederholtes Messen der Impendanz arbeitet, kann das Wirbelstrom-Meßgerät wie oben beschrieben einen Wheatstone-Brückenmeßschaltkreis aufweisen. Es sind je doch auch andere Wirbelstromgeräte bekannt. Der Multiplexer ist über eine Steuerleitung 36, die das Steuersignal, übli cherweise ein einfaches Sinussignal, überträgt, und eine Signalleitung 38, die das Antwortsignal überträgt, ebenfalls mit dem Wirbelstrom-Meßgerät verbunden. Das Antwortsignal, das die elektromagnetischen Eigenschaften des Prüflings an zeigt, wird über das Wirbelstrom-Meßgerät 30 mit der rela tiven Position der Reihe und Spalte der zu steuernden Spulen anordnung in Beziehung gesetzt, beispielsweise um eine Unste tigkeit 42 in einem zu überwachenden Prüfling 40 zu orten.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung von Spulen, die mit den benach barten Spulen in Richtung der Reihen und Spalten verbunden sind, so wie sie bei bekannten Einrichtungen zur Wirbelstrom messung von leitenden Prüflingen benutzt werden. Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung einer der Spulen 12. Fig. 4 zeigt den Schaltkreis der Spulenanordnung. Jede der Spulen ist zwischen einem Reihenschalter i und einem Spaltenschalter j angeschlossen. Um beispielsweise das Material nahe der Spule z_2,2 anzuregen, werden der Schalter i=2 und der Schalter j=2 geschlossen. Es ist jedoch ersichtlich, daß noch andere Stromwege zwischen diesen Schaltern auftreten, beispielsweise durch die Spulen z_2,1, z_1,1 und z_1,2, wie auch vielen andere Kombinationen. Während der größte Teil der En ergie durch die Spule z_2,2 fließt, da alle anderen Stromwege mit einer zusätzlichen Impendanz verbunden sind, wird die Energie in erheblichem Maße über die anderen Stromwege ver teilt. Aus diesem Grund ist es nicht möglich, diesen Schalt kreis zu benutzen, um nur eine der Spulen oder nur alle Spu len einer Reihe anzuregen oder um in ähnlicher Weise ein Si gnal herauszufiltern, das von einer der Spulen oder von einer der Spalten der Spulen abgegeben wird. Während dieser Schalt kreis den Vorteil aufweist, daß nur 2n Drähte (mit einer Er dungsleitung, nicht gezeigt) für ein n×n Feld erforderlich sind, ist die Gesamtzahl der Spulen in erheblichem Maße be grenzt, da bei einer zu großen Gesamtzahl der Spulen das Si gnal-Rausch-Verhältnis so niedrig wird, daß es unmöglich ist, den Ort einer Fehlstelle in dem Prüfling zu bestimmen oder festzustellen, ob überhaupt ein Fehler vorliegt. Wie oben er wähnt, wäre es rein theoretisch möglich, je zwei einzelne Drähte mit jeder Spule zu verbinden, aber für eine Spulenan ordnung mit einer Vielzahl von Spulen wäre dies technisch nicht sinnvoll durchführbar. Für eine n×n Matrix würde man n²+1 Verbindungsdrähte benötigen.

Fig. 5 zeigt die erfindungsgemäße Meßeinrichtung. Auch hier wird ein komputergesteuertes Wirbelstrom-Meßgerät 30 mit ei ner Steuerleitung 34, einer Steuerleitung 36 und einer Si gnalleitung 38 mit einem Multiplexer 52 verbunden, der über eine Vielzahl von Drähten mit der Spuleneinrichtung 50 ver bunden ist. Diese Elemente weisen die Funktion auf, die an hand der bekannten Meßeinrichtung aus Fig. 1 beschrieben wur den. Erfindungsgemäß sind die Steuerspulen jedoch in Spalten an einer Seite eines Trägers 56 angeordnet, und separate De tektorspulen sind in Reihen auf der anderen Seite des Trägers 56 angeordnet. Separate Leiter 54 sind zwischen dem Mul tiplexer 52 und jeder der Reihen und Spalten vorgesehen. Da durch ist die gleiche Anzahl von Leitern wie bei der anhand von Fig. 1 bis 4 beschriebenen, bekannten Meßeinrichtung vor gesehen. Die Abfolge der Multiplexervorgänge ist jedoch bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung unterschiedlich, wie im folgenden beschrieben wird.

Fig. 6 und 7 zeigen die Detektorseite bzw. die Steuerseite der Spuleneinrichtung 50. Diese sind in der gleichen Ausrich tung gezeigt, d. h. als ob sie von der gleichen Seite der Spu lenanordnung betrachtet werden. Auf diese Weise ist zu erken nen, daß die Spulen 62 auf der Steuerseite (Fig. 7) koaxial zu den Spulen 60 auf der Detektorseite (Fig. 6) sind.

In Fig. 6 sind die Spulen 60 des Detektorfeldes in einer Vielzahl von horizontalen Reihen 58 angeordnet. Die Spulen sind in obere und untere Halbspulen aufgeteilt, die miteinan der in Reihe geschaltet sind. Diese Reihenschaltungen sind an der äußersten Spule jeder Reihe miteinander verbunden. Wäh rend eine Seite des nach innen gerichteten Endes einer jeden Reihe mit einem Multiplexerschalter 66, der vom Multiplexer 52 (Fig. 5) gesteuert wird, verbunden ist, ist die andere Seite eine einfache Rückführungs- oder Erdungsleitung 65. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung können die Multiplexerschalter 66 an der Spuleneinrich tung befestigt sein. In beiden Fällen sind die Ausgänge der Multiplexerschalter in einem Verbindungspunkt 68 miteinander verbunden. In diesem Auführungsbeispiel wird der Multiplexbe trieb in Abhängigkeit von Steuersignalen vom Meßgerät 30 durchgeführt (d. h., daß der diskrete Multiplexer 52 aus Fig. 5 entfällt) , um den entsprechenden der Multiplexerschalter 66 zu betätigen und dadurch die von einer oder mehreren Spulen 60 der entsprechenden Reihe 58 erfaßten Signale weiterzulei ten. Steuersignaldrähte 70 übertragen ein Adreßsignal, das einen bestimmten, zu einer bestimmten Zeit zu schließenden Multiplexerschalter identifiziert. Dekoder, die auf derartige Steuersignale ansprechen, wobei n Signaldrähte ausreichend sind, um 2ⁿ Schalter anzusteuern, sind bekannt.

Es wäre nicht wünschenswert, die Steuersignaldrähte 70 auf der gleichen Seite des Trägers, auf der sich auch die Spulen befinden, anzuordnen, da dies eine Vielzahl von isolierten Leitungskreuzungen erfordern würde. Deshalb sind die Detek torsteuerleitungen an der Steuerseite der Spulenanordnung an geordnet und durch plattierte Bohrungen 67 mit den Spulen verbunden. Es ist bekannt, plattierte Bohrungen zu verwenden, um den Kontakt zwischen auf beiden Seiten eines Trägers ange ordneten Leitern herzustellen. Die Erdungsleitung 65 ist auf ähnliche Weise durch plattierte Bohrungen 63 mit einer Seite einer jeden Reihe verbunden.

Fig. 7 zeigt eine entsprechende Darstellung der Steuerseite der Spulenanordnung. Eine Anzahl von aus in Reihe geschalte ten Halbspulenpaaren gebildeten Spulen 72 ist in einer Viel zahl von Spalten 74 angeordnet, welche im allgemeinen ortho gonal zu den Reihen 58 aus Fig. 6 sind. Die äußerste Spule einer jeden Spalte von Spulen ist vollständig und verbindet zwei Sätze von in Reihe verbundenen Halbspulen. Eine Seite des anderen Endes einer jeden Spalte von Spulen 72 ist mit einem Multiplexerschalter 82 verbunden, der die Verbindung der entsprechenden Spalte 74 mit einer Anregungsenergiequelle 78 steuert, die ein Sinussignal in einem Frequenzbereich von einigen Hertz bis zu etwa 100 MHz bereitstellt. Die andere Seite einer jeden Spalte ist, wie oben beschrieben, mit einer Rückführungsleitung 86 verbunden. Eine der Spalten 74 wird dadurch ausgewählt, daß, wie oben beschrieben, den Multiple xerschaltern 82 in jeder Spalte ein Steuersignal zugeführt wird. Es ist ersichtlich, daß eine große Anzahl zusätzlicher Multiplexerschalter möglich ist. Durch Steuerleitungen 84 werden Steuersignale an die Multiplexerschalter 82 gesandt, um dadurch die Steuerspulen auf der Steuerseite der Spulenanordnung mit Energie zu versorgen. Die Verbindungen sind in Fig. 6 und 7 nicht vollständig dargestellt, um die Zeichnungen übersichtlich zu gestalten.

Fig. 8 zeigt einen Schaltkreis einer erfindungsgemäßen Spu leneinrichtung, welche ganz allgemeinen mit der aus Fig. 4 vergleichbar ist. Im Gegensatz zur Schaltung aus Fig. 4 sind in der Schaltung von Fig. 8 aber die mit n,1, n,2 ... n,n be zeichneten Spulen jeder Reihe n (jede von ihnen besteht aus zwei Halbspulen in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel) der Detektorseite der Spulenanordnung elektrisch von den Spulen 1,n, 2,n ... n,n jeder Spalte n der Steuerseite der Spulenan ordnung isoliert. Zu einer bestimmten Zeit wird also nur eine Spalte der Steuerspulen mit Energie versorgt, und nur die von einer Reihe von Detektorspulen abgetastete induzierte Span nung wird zu der bestimmten Zeit gemessen. Die von allen Spu len aus jeder beliebigen Reihe abgetastete induzierte Ge samtspannung wird gemessen, indem die Ausgangssignale aller Spulen einer Reihe addiert werden. Im allgemeinen beruht die gemessene induzierte Spannung jedoch auf dem Beitrag der De tekorspule direkt unter der Spalte der Steuerspulen, an die zu diesem Zeitpunkt das Anregungssignal angelegt wird. Des halb kann erfindungsgemäß zu jedem beliebigen Zeitpunkt und in jedem beliebigen Teil des zu untersuchenden Prüflings eine sehr genaue Korrelation zwischen den Spulen der angespro chenen Reihen und Spalten durchgeführt werden. Ferner kann die Anzahl der Spulen in beiden Spulenanordnung unbegrenzt erhöht werden, ohne dieses Merkmal der Schaltung zu ändern.

Die in Fig. 6 und 7 gezeigten Spulen weisen fast vollständige Kreise auf. Es gibt jedoch auch andere Spulenformen, die einsetzbar sind. Die Spulen können spiralförmig ausgebildet sein, wie in Fig. 3 gezeigt ist. In einigen Anwendungsfällen können polygonale oder elliptische Spulen eingesetzt werden. Die gezeigten einfachen Spulen haben den Vorteil, daß die Leiter sich nicht kreuzen müssen, wodurch sich die Herstel lung der gesamten Spulenanordnung erheblich vereinfacht. Grundsätzlich könnten alle auf beiden Seiten des Trägers 56 erforderlichen Leiter, einschließlich der Steuerleitungen, der Energieversorgungsleitungen, der Erdungsleitungen und der Spulen in einem Schritt auf den Träger gedruckt oder aufge bracht werden. Dies vereinfacht die Herstellung der erfin dungsgemäßen Spulenanordnung erheblich.

Die Verwendung von im wesentlichen kreisförmigen Spulen be deutet ebenfalls, daß die Antwort der Detektoren auf Unste tigkeiten in Teilen des zu untersuchenden Prüflings radial symmetrisch ist, d. h., daß von einer Unstetigkeit verursachte Änderungen der abgetasteten Spannung ungeachtet ihrer Orien tierung bezüglich der Reihe der Detektorspulen auf gleiche Weise gefunden werden. Dies ist ein Unterschied der in der in der US-PS 47 06 021 gezeigten Einrichtung, bei der gerade Drähte verwendet werden. Um das Auffinden von Unstetigkeiten in allen Richtungen zu ermöglichen, müssen bei der US-PS 47 06 021 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 7 dieser Patentschrift Anordnungen mit mehrfach gekreuzten Drähten ge wählt werden. Trotzdem würde das Anwortsignal Abweichungen in Abhängigkeit von der relativen Orientierung der Unstetigkeit bezüglich der Drähte aufweisen.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung wird so angewendet, daß die Spulenanordnung so angeordnet wird, daß sie dicht bei dem zu untersuchenden Prüfling liegt und daß eine der Spalten von Spulen mit einem Sinussignal einer passenden Frequenz ange steuert wird, während sequentiell von jeder Reihe von Spulen abgegebene Signale abgetastet werden. Das Sinussignal wird dann der nächsten Spalte von Steuerspulen zugeführt werden usw. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Signal von einer der Reihen von Detektorspulen kontinuierlich zu steu ern, während die Spalten sequentiell angesteuert werden. We gen der Zeit, die die Steuerspulen benötigen, um nach einem Einschwingvorgang betriebsbereit zu sein, ist das erste Ver fahren bevorzugt. Immer wenn sich das abgetastete Signal ei ner Reihe in erheblichem Maß ändert, deutet das auf eine Un stetigkeit hin. Wenn das von allen Reihen abgetastete Signal in Abhängigkeit von der einer bestimmten Spalte zugeführten Energie variiert, weist dies auf eine sich entlang einer Spalte erstreckenden Unstetigkeit hin. Andererseits ist eine Veränderung einer entlang einer einzelnen Reihe abgetasteten Spannung ein Indiz dafür, daß sich eine Unstetigkeit parallel zur Reihe erstreckt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Durch messer der Spulen 0,020′′ (0,5 mm), die Querabmessung der die Steuerspule bildenden Leiter 0,005′′ (0,125 mm) und der Durch messer des Kupferleiters wird 0,001′′ (0,025 mm). Die Verwen dung eines Trägers aus Polyamid, wie es beispielsweise unter dem Warenzeichen Kapton verkauft wird, in Kombination mit Leitern der obenbeschriebenen Art führt zu einer hinreichend flexiblen Spulenanordnung, um die meisten Prüfteile untersu chen zu können.

Für einen Fachmann ist offensichtlich, daß, wenn die Steuer spulen wie beschrieben in einer Spalte angeordnet sind und die Detektorspulen in einer Reihe angeordnet sind, diese An ordnung offensichtlich umgekehrt werden kann. Die gezeigte Reihen/Spaltenanordnung eignet sich sehr gut für die Untersu chung von rechteckförmigen Prüflingen. In einigen Fällen ist es wünschenswert, die Spulenanordnung an komplex geformte Prüflinge, wie beispielsweise Turbinenschaufeln, anzupassen. In diesen Fällen sind die Reihen und Spalten nicht notwendi gerweise gerade oder orthoganal zueinander. Das Ansprechen der einzelnen Reihen und Spalten wird dabei weiterhin in der oben beschriebenen Weise durchgeführt und die Spulen der zwei Spulenanordnungen werden weiterhin vorzugsweise koaxial zu einander angeordnet.

Claims

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Wirbelstromuntersuchung elektrisch leitender Prüflinge, gekennzeichnet durch fol gende Schritte:

- Anordnen einer aus Steuerspulen und Detektorspulen bestehenden Spulenanordnung physikalisch gesehen nahe bei dem zu untersuchenden Prüfling, wobei die Spulen einrichtung aufweist:
- - einen ebenen Träger;
- - eine erste Spulenanordnung aus auf einer Seite des Trägers angeordneten Steuerspulen, wobei die erste Spulenanordnung eine Vielzahl von paral lelen Spalten aus miteinander in Reihe geschalte ten Spulen aufweist, wobei jede der parallelen Spalten mit einer Einrichtung zum steuerbaren Verbinden dieser Spalten mit einer Anregungsener giequelle verbunden ist; und
- - eine zweite Spulenanordnung von auf der gegen überliegenden Seite des flexiblen Trägers ange ordneten Detektorspulen, wobei die zweite Spulen anordnung eine Vielzahl von parallelen Reihen aus miteinander in Reihe geschalteten Spulen auf weist, wobei sich die Reihen in einer zu den Spalten nicht parallelen Richtung erstrecken, wo bei jede der parallelen Reihen mit einer Einrich tung zum steuerbaren Verbinden dieser Reihen mit einer Einrichtung zum Verarbeiten der von einer oder mehreren Spulen der entsprechenden Reihe ab getasteten induzierten Spannungsignale verbunden ist;
- sequentielles Verbinden der Anregungsenergiequelle mit den Spalten von Spulen der ersten Spulenanord nung;
- sequentielles Abtasten und Messen der induzierten Spannungssignale in den Reihen von Spulen der zweiten Spulenanordnung; und
- Analysieren der Änderungen der von der zweiten Spu lenanordnung von Spulen abgetasteten Signale, um die Unstetigkeiten im zu untersuchenden Prüfling zu or ten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz jeder der Reihen aus Spulen der zweiten Spu lenanordnung nacheinander gemessen wird, während die An regungsenergiequelle mit einer einzelnen Spalte von Spu len verbunden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsenergiequelle ein Sinussignal zwischen 1 Hz und 100 mHz bereitstellt.

4. Einrichtung für die zerstörungsfreie Wirbelstromuntersu chung von elektrisch leitenden Prüflingen, gekennzeichnet durch:

- eine Spuleneinrichtung, bestehend aus:
- - einem ebenen Träger;
- - einer ersten Spulenanordnung von auf einer Seite des Trägers angeordneten Steuerspulen, wobei die erste Spulenanordnung eine Vielzahl von paral lelen Spalten aus miteinander in Reihe geschalte ten Spulen aufweist, wobei jede der parallelen Spalten mit einer Einrichtung zum steuerbaren Verbinden der Spalten mit einer Anregungsenergie quelle verbunden ist; und
- - einer zweiten Spulenanordnung von auf der gegen überliegenden Seite des Trägers angeordneten De tektorspulen, wobei die zweite Spulenanordnung eine Vielzahl paralleler Reihen aus miteinander in Reihe geschalteten Spulen aufweist, wobei sich diese Reihen in einer zu den Spalten nicht paral lelen Richtung erstrecken, wobei jede der paral lelen Reihen mit einer Einrichtung zum steuerba ren Verbinden der Reihen mit einer Einrichtung zum Verarbeiten von von einer oder mehreren der Spulen der entsprechenden Reihe abgetasteten Si gnalen verbunden ist;
- eine Sinuswellen einer bestimmten Frequenz abgebende Energiequelle;
- einen ersten Multiplexer, um die Vielzahl von Spalten aus Steuerspulen, die in der flexiblen Spulenanord nung enthalten sind, nacheinander mit Energie zu ver sorgen;
- einen zweiten Multiplexer, um die von einer Reihe aus in der flexiblen Spuleneinrichtung enthaltenen Detek torspulen abgetasteten induzierten Spannungssignale nacheinander zu empfangen und zu speichern; und
- eine Einrichtung zum Vergleichen der von einer Reihe aus Detektorspulen abgetasteten Signale und zum Er kennen von Veränderungen darin, und zum Bestimmen der Reihe und der Spalte von Spulen, in welcher eine Ver änderung des Signals registriert wurde.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Multiplexer eine Steuereinrichtung, die Schal tersteuersignale abgibt, und eine Schaltereinrichtung, die auf die von der Steuereinrichtung abgegebenen Signale anspricht und auf dem Träger angeordnet ist, um die indu zierten Spannungssignale zu multiplexen, aufweist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Multiplexer eine Vielzahl von auf einem ersten Träger angeordneten steuerbaren Schaltereinrichtungen aufweist, wobei jeder der Schalter mit einer der paral lelen Reihen von Spulen verbunden ist, um das Verbinden der entsprechenden Reihe mit der Anregungsenergiequelle zu steuern, und eine mit der Steuereinrichtung verbundene Steuerleitungseinrichtung zum Abgeben von Steuersignalen an die steuerbare Schaltereinrichtung.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen und die diese zur Bildung von Reihen und Spal ten verbindenden Leitungen auf dem Träger aufgedruckt sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Spulen eine nicht vollständig geschlossene Win dung aufweist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen im wesentlichen kreisförmig sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen und Spalten im allgemeinen orthogonal zueinan der ist, und daß die Steuerspulen und Detektorspulen im wesentlichen koaxial sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spuleneinrichtung flexibel ist.

12. Flexible Spuleneinrichtung für eine Meßeinrichtung für die zerstörungsfreie Wirbelstromuntersuchung von elek trisch leitenden Prüflingen, gekennzeichnet durch:

- einen flexiblen, ebenen Träger,
- eine erste Spulenanordnung von auf einer Seite des flexiblen Trägers angeordneten Steuerspulen, wobei die erste Spulenanordnung eine Vielzahl von paral lelen Spalten aus miteinander in Reihe geschalteten Spulen aufweist, wobei jede der parallelen Spalten mit einer Einrichtung zum steuerbaren Verbinden der Spalten mit einer Anregungsenergiequelle verbunden ist; und
- eine zweite Spulenanordnung von auf der gegenüberlie genden Seite des flexiblen Trägers angeordneten De tektorspulen, wobei die zweite Spulenanordnung eine Vielzahl von parallelen Reihen von in Reihe miteinan der geschalteten Spulen aufweist, wobei sich diese Reihen in einer zu diesen Spalten nicht-parallelen Richtung erstrecken, wobei jede dieser parallelen Reihen mit einer Einrichtung zum steuerbaren An schließen der Reihen an eine Einrichtung zum Verar beiten von von einer oder mehreren Spulen der ent sprechenden Reihe abgetasteten Betriebssignalen ver bunden ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen einer Reihe von Detektorspulen aus einer unte ren und einer oberen Halbspule bestehen, wobei die oberen Halbspulen in Reihe geschaltet sind und die unteren Halbspulen ebenfalls in Reihe geschaltet sind.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reihe geschalteten oberen Halbspulen ferner mit den in Reihe geschalteten unteren Halbspulen in Reihe ge schaltet sind.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine auf dem Träger angeordnete Schaltereinrichtung zum steu erbaren Verbinden der Reihen mit einer Verarbeitungsein richtung.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltereinrichtung auf von einer externen Steuerein richtung abgegebene Steuersignale anspricht.

17. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung an einen Rechner angeschlossen ist und eine Einrichtung zum Verbinden dieses Rechners mit der Schaltereinrichtung über eine Vielzahl von Steuerlei tungen aufweist.

18. Einrichtung nach Anspruch 12, ferner gekennzeichnet durch eine Vielzahl von auf dem ersten Träger angeordneten steuerbaren Schaltereinrichtungen, wobei jeder der Schal ter mit einer der parallelen Reihen von Spulen verbunden ist, um die Verbindung der entsprechenden Reihe mit einer Anregungsenergiequelle zu steuern, und eine Einrichtung zum Abgeben von Steuersignalen an die steuerbare Schal tereinrichtung.

19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abgeben von Steuersignalen an die steuerbare Schaltereinrichtung eine Vielzahl von Steuer leitungen darstellt, die mit einer außerhalb der Spulen anordnung angeordneten Steuereinrichtung verbunden ist.

20. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß einen Rechner zur Abgabe von Steuersignalen an die Schal tereinrichtung aufweist.

21. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen und die sie zu Reihen und Spalten verbindenden Leiter auf dem flexiblen Träger aufgedruckt sind.

22. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Spulen eine Windung aufweist.

23. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen im wesentlichen kreisförmig sind.

24. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen und Spalten im wesentlichen orthogonal zuein ander angeordnet sind und die Steuerspulen und Detektor spulen der Spulenanordnungen im wesentlichen koaxial sind.

25. Flexible Spuleneinrichtung für eine Meßeinrichtung für die zerstörungsfreie Wirbelstromuntersuchung von elek trisch leitenden Prüflingen, gekennzeichnet durch:

- einen flexiblen ebenen Träger;
- eine erste Spulenanordnung von auf einer Seite des flexiblen Trägers angeordneten Steuerspulen, wobei dieser erste Träger eine Vielzahl von ersten Gruppen von miteinander in Reihe geschalteten Spulen auf weist, wobei jede der ersten Gruppen mit einer Ein richtung zum steuerbaren Verbinden der ersten Gruppen mit einer Anregungsenergiequelle verbunden ist; und
- eine zweite Spulenanordnung von auf der gegenüberlie genden Seite des flexiblen Trägers angeordneten De tektorspulen, wobei die zweite Spulenanordnung eine Vielzahl von zweiten Gruppen von miteinander in Reihe geschalteten Spulen aufweist, wobei jede der zweiten Grupppen mit einer Einrichtung zum steuerbaren Ver binden der zweiten Gruppen mit einer Einrichtung zum Verarbeiten von von einer oder mehreren Spulen der entsprechenden Gruppe abgetasteten Signalen verbunden ist.

26. Einrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Spulen der ersten Gruppe und zweiten Gruppe von Detektorspulen eine erste und eine zweiten Halbspule auf weist, wobei die ersten Halbspulen in Reihe und die zwei ten Halbspulen ebenfalls in Reihe geschaltet sind.

27. Spulenanordnung nach Anspruch 25, ferner gekennzeichnet durch eine auf dem Träger angeordnete Schaltereinrichtung, um die erste und zweite Gruppe von Spulen steuerbar mit der Anregungsenergiequelle bzw. der Einrichtung zur Ver arbeitung von Signalen zu verbinden.