DE4118407A1 - Wirbelstromsensor fuer ferromagnetische materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wirbelstromsensor zum Detek­ tieren von Defekten in einem Rohr aus einem ferromagneti­ schen Material mit einem Sensorgehäuse, welches aus nicht-ferromagnetischem Material besteht und so ausgebil­ det ist, daß es zu Prüfzwecken in das zu prüfende Rohr eingeführt werden kann, wobei die Gehäuseachse im Gebrauch mit der Achse des zu prüfenden Rohres zusammenfällt.

Das Verfahren der Wirbelstromprüfung ist ein zerstörungs­ freies Prüfverfahren, welches darauf basiert, daß in einem zu prüfenden Material elektrische Ströme, nämlich Wirbel­ ströme, induziert werden und daß die Wechselwirkung zwi­ schen diesen Strömen und dem Material untersucht wird. Wirbelströme werden durch elektromagnetische Wicklungen des Sensors erzeugt und gleichzeitig dadurch überwacht, daß die elektrische Impedanz des Sensors gemessen wird. Da es sich bei der Wirbelstromprüfung um einen elektromagne­ tischen Induktionsprozeß handelt, ist kein direkter elek­ trischer Kontakt mit dem Prüfling erforderlich. Der Prüf­ ling muß jedoch elektrisch leitfähig sein.

Es wurden bereits verschiedene Wirbelstromsensoren zur Prüfung von zylindrischen bzw. rohrförmigen Bauteilen vor­ geschlagen. Von den zahlreichen möglichen Varianten sind diejenigen Sensortypen, bei denen die Selbstinduktivität (zur Absolutmessung oder zur differentiellen Messung) aus­ gewertet wird, und diejenigen Typen, die als Sende/ Empfangs-Sensoren arbeiten, weit verbreitet. Weiterhin werden viele verschiedene Spulentypen verwendet. Sowohl ferromagnetische als auch nicht-ferromagnetische Materia­ lien können untersucht werden. Bei der Untersuchung ferro­ magnetischer Prüflinge müssen dabei jedoch besondere Vor­ kehrungen getroffen werden, wie dies weiter unten noch er­ läutert wird.

In der Vergangenheit wurden Körper aus ferromagnetischem Material beispielsweise mit Hilfe des sogenannten Leck­ flußverfahrens untersucht, welches in den US-PSen 30 91 733, 44 68 619 und 46 02 212 beschrieben ist. Bei diesem Verfahren wird das Metall parallel zu seiner Ober­ fläche magnetisiert. An Fehlstellen bzw. in Bereichen, in denen der Metallkörper ungleichmäßig ausgebildet ist, tritt ein gewisser magnetischer Fluß in die Luft aus und kann durch in der Nähe der Austrittsstelle angeordnete Sensoren detektiert werden, wodurch eine Anzeige des Vor­ liegens von Fehlern, Unregelmäßigkeiten usw. erhalten wird.

Die US-PS 41 07 505 beschreibt ein Wirbelstromverfahren zum Detektieren von Anomalitäten in einer Pipeline aus ferromagnetischem Material. Der Wirbelstromsensor umfaßt dabei mehrere spiralförmige Sensorspulen, deren Achsen senkrecht zur Oberfläche der Pipelinewandung ausgerichtet sind und die zur Kompensation von Störsignalen mit den vier Schenkeln einer Wechselstrombrücke verbunden sind.

Ein mit Hilfe eines Permamentmagneten erzeugtes magneti­ sches Vormagnetisierungsfeld gestattet die Unterscheidung interner von externen Defekten bei schwach ferromagneti­ schen Rohren durch Vergleichen der Ausgangssignale des Sy­ stems mit und ohne ein der Vormagnetisierung dienendes Feld.

Die US-PSen 39 52 315 und 29 64 699 beschreiben Wirbel­ stromsensoren zur Verwendung bei der Prüfung schwach ferromagnetischer Rohre. Beide Sensoren umfassen magneti­ sche Sättigungseinrichtungen.

In den US-PSen 29 92 390 und 39 40 689 sind spezielle elektromagnetische Verfahren zum Erzeugen magnetischer Felder in Verbindung mit einem Verfahren der Wirbelstrom­ prüfung beschrieben, bei dem gemäß der erstgenannten Pa­ tentschrift in spezieller Weise ausgebildete Kerne für Sende/Empfangs-Wicklungen verwendet werden, wobei mit mehreren Prüffrequenzen gearbeitet wird, während gemäß der an zweiter Stelle genannten Patentschrift eine Spule ver­ wendet wird, die auf einem Kern beträchtlicher Länge ge­ wickelt ist.

Die US-PS 34 37 810 beschreibt ein Prüfgerät für Rohre, bei dem mehrere Prüfeinrichtungen vorgesehen sind, wobei eine dieser Prüfeinrichtungen ein Wirbelstromsensor ist, der mit zwei Prüffrequenzen arbeitet.

Keine der genannten Druckschriften befaßt sich mit der Möglichkeit, daß besondere Vorteile dann erreicht werden könnten, wenn man gleichzeitig mehrere Wirbelstromsensoren an mehr als einem Arbeitspunkt des Impedanzdiagramms be­ treibt.

Ausgehend vom Stand der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wirbelstromsensor der eingangs an­ gegebenen Art dahingehend zu verbessern, daß er für Fehler in den zu prüfenden ferromagnetischen Rohren relativ empfindlich ist, andererseits jedoch gegen Störungen, wie sie sich beispielsweise aufgrund magnetischer Abscheidun­ gen und Permeabilitätsschwankungen ergeben können, relativ unempfindlich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Wirbelstrom­ sensor gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in dem Ge­ häuse eine erste und eine zweite Armbandspule konzentrisch zur Gehäuseachse angeordnet sind, daß die erste Armband­ spule auf ihrer Außenseite mehrere erste Flachspulen auf­ weist, die als Ring rund um die Gehäuseachse angeordnet sind, einen ersten Durchmesser haben und mit einer ersten Hochfrequenz betrieben werden, und daß angrenzend an die erste Armbandspule eine zweite Armbandspule angeordnet ist, die auf ihrer Außenseite mehrere Flachspulen auf­ weist, die als Ring rund um die Gehäuseachse angeordnet sind, einen zweiten Durchmesser haben, der größer als der erste Durchmesser ist und mit einer zweiten Hochfrequenz betrieben werden, die gleich der ersten Hochfrequenz ist oder höher als dieselbe.

Es ist ein besonderer Vorteil des Wirbelstromsensors gemäß der Erfindung, daß zwei oder mehr Wirbelstrommeß­ einrichtungen vorgesehen sind, von denen jede an einem an­ deren Arbeitspunkt des Impedanzdiagramms arbeitet.

Weiterhin ist es ein wichtiger Vorteil des erfindungsge­ mäßen Wirbelstromsensors, daß er allenfalls schwach auf Permeabilitätsänderungen reagiert.

Bei einem Wirbelstromsensor gemäß der Erfindung sind die Flachspulen der ersten und der zweiten Armbandspule vor­ zugsweise auf der Außenseite dieser Spulen angeordnet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand abhängiger Ansprüche. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Wirbel­ stromsensors gemäß dem Stande der Technik, welcher einige typische Anomalien anzeigt;

Fig. 2 ein Impedanzdiagramm eines für die Prüfung ferromagnetischer Materialien vorgesehenen Wirbelstromsensors;

Fig. 3 bis 6 schematische Darstellungen bevorzugter Aus­ führungsformen von Wirbelstromsensoren ge­ mäß der Erfindung.

Bei einem Wirbelstrom-Prüfverfahren werden die Änderungen eines Wirbelstroms detektiert, der induktiv in einem Prüf­ ling erzeugt wird, wobei das Prüfverfahren auf Material­ eigenschaften des Prüflings anspricht, die einen Einfluß auf dessen elektrischen Widerstand und dessen magnetische Permeabilität haben. Der Wirbelstrom wird dabei indirekt durch eine Sensorspule gemessen, die dicht an der Ober­ fläche des Objektes angeordnet ist und die den magneti­ schen Fluß überwacht, der durch den Wirbelstrom erzeugt wird. Wenn jedoch ein Wirbelstromsensor verwendet wird, um ferromagnetische Rohre zu prüfen, dann beeinflußt die mag­ netische Permeabilität des ferromagnetischen Materials die Induktivität der Sensorspule sowie die Tiefe, mit der der Wirbelstrom in das Material eindringt. Die magnetische Pe- Permeabilität hängt dabei unter anderem stark von den folgenden Faktoren ab:

• - vorausgegangene thermische Behandlung;
• - vorausgegangene mechanische Behandlung;
• - chemische Zusammensetzung;
• - interne Spannungen; und
• - Temperatur (falls diese dicht bei der Curie-Temperatur liegt).

Die großen Schwankungen der Permeabilität machen die Fehlerprüfung bei magnetischen Materialien unter Verwen­ dung konventioneller Wirbelstromsensoren sehr schwierig. Es ist also nicht so, daß ein Wirbelstromsensor bei einem ferromagnetischen Material unempfindlich wäre; der Sensor erzeugt jedoch sowohl solche Signale, die auf Material­ fehler zurückgehen, als auch Signale, die auf Schwankungen der Permeabilität des Materials zurückzuführen sind. Es ist sehr schwierig, die Sensorsignale zu analysieren und solche Signale, die Materialfehler anzeigen, von den Sig­ nalen zu trennen, die auf Permeabilitätänderungen zurück­ zuführen sind (Permeabilitätsrauschen). Eine Möglichkeit der Unterdrückung des Permeabilitätsrauschens besteht darin, das magnetische bzw. magnetisierbare Material in einen Zustand zu bringen, in dem gilt: µ_r = 1,0. Die rela­ tive inkrementelle Permeabilität bzw. Gegen-Permeabilität µ_r ist wie folgt definiert:
µ_r =Δ B/Δ H, wobei Δ B die Änderung der Flußdichte ist, welche eine Änderung der Stärke der Magnetisierung beglei­ tet und wobei Δ H beispielsweise durch den Wechselstrom in einer Wirbelstromspule erzeugt wird.

Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, daß es eine bisher nicht genutzte Möglichkeit gibt, um zwischen er­ wünschten Signalen einerseits und solchen Signalen andererseits zu unterscheiden, die auf Schwankungen der Permeabilität und magnetische Abscheidungen zurückzuführen sind.

Fig. 1 zeigt schematisch einen bekannten Wirbelstromsensor zur Verwendung zur Erfassung von Fehlern in einem ferro­ magnetischen Rohr. Der Sensor umfaßt eine sogenannte Arm­ bandspule 4 mit mehr als einer Flachspule 6, wobei die Flachspulen auf einem Kreis bzw. Ring angeordnet sind. Das zu prüfende Rohr 8 besitzt eine Nut bzw. Kerbe 10 an der Innenwand und einen Bereich 12 mit einer von der Permeabi­ lität der angrenzenden Wandbereiche verschiedenen Permeabilität. Außerdem sind magnetische Abscheidungen 14 angedeutet.

Die Arbeitsweise des bekannten Sensors bei der Prüfung eines Rohres mit den gezeigten Fehlern bzw. Anomalien soll nachstehend anhand von Fig. 2 näher erläutert werden, die ein Diagramm zeigt, bei dem längs der horizontalen Achse der normierte (Ohm′sche) Widerstand und längs der vertika­ len Achse der normierte Blindwiderstand aufgetragen ist. Bei der Prüfung ferromagnetischer Materialien hat es sich gezeigt, daß zur Messung der magnetischen Permeabilität und des Ohm′schen Widerstandes eines Prüflings in Anwesenheit eines Abhebesignals die Sensor- bzw. Sondengröße und die Prüffrequenz so gewählt werden soll­ ten, daß an einem Arbeitspunkt B innerhalb des in Fig. 2 markierten Bereichs A gearbeitet werden sollte. In dem Diagramm gemäß Fig. 2 führt eine Zunahme der Permeabilität und/oder des Ohm'schen Widerstandes zu einer Aufwärtsbe­ wegung des Signals längs einer Linie 22 während eine Ab­ nahme dieser Größen zu einer Abwärtsbewegung führt.

Andererseits ist es auch bekannt, daß der Arbeitspunkt Q zur Messung interner Defekte bei Vorliegen einer Permeabi­ litätsänderung in einem Bereich B in der Nähe des oberen Endes des Impedanzdiagramms gewählt werden sollte.

Bei den betrachteten Prüfvorgängen beeinflussen verschie­ dene Bedingungen gewisse Signale und machen es schwierig, die einzelnen Signale voneinander zu unterscheiden. Die vorliegende Erfindung erleichtert eine Lösung dieses Pro­ blems und ermöglicht eine zutreffende Interpretation der Signale bei der Erfassung interner (Material-) Fehler in einem ferromagnetischen Rohr.

Beispielsweise wird gemäß Fig. 2 eine erste Prüfung mit einem Sensor durchgeführt, der an einem Punkt Q im Bereich B in der Nähe des oberen Endes des Diagramms arbeitet, wo­ bei folgende Signale erzeugt werden: Ein Magnetitsignal m aufgrund des Vorhandensein von Magnetit (Magneteisenstein) an der Rohroberfläche, ein Abhebesignal c aufgrund eines Abhebens und ein Permeabilitätssignal d aufgrund einer Permeabilitätsänderung. Dabei haben die Signale c und m eine nahezu entgegengesetzte Phasenlage, wodurch es schwierig wird, sie korrekt zu interpretieren. Anderer­ seits ist das Signal d gegenüber den anderen Signalen pha­ senverschoben und kann somit, obwohl es eine kleine Ampli­ tude hat, von diesen anderen Signalen unterschieden werden.

Im einzelnen führt im Bereich A ein Abheben, d. h. das Ent­ stehen eines Spalts zwischen dem Sensor und der Rohrober­ fläche, zu einem Abhebsignal a, während eine Änderung der Permeabilität (Δ µ_r) zur Erzeugung eines Permeabilitäts­ signals b führt. Das Abhebesignal a enthält dabei nicht nur eine Anzeige für das Abheben, sondern auch eine Anzei­ ge über interne Defekte des Rohres. Ferner wird das Wir­ belstromsignal nicht nur durch Permeabilitätsänderungen (Permeabilitätsrauschen) des Rohrmaterials verursacht, sondern auch durch das Vorhandensein magnetischer Abschei­ dungen. Dieses Vorhandensein einer gewissen Menge von magnetischem Fremdmaterial, welches kollektiv als Magneteisenstein (Magnetit) bezeichnet wird, an der Rohr­ oberfläche erzeugt ein "Magnetit"-Signal m. Am Arbeits­ punkt B ist die Phase dieses Signals m sehr dicht bei der Phase des Signals b. Die durch Permeabilitätsänderungen und magnetische Abscheidungen verursachten Signale können folglich leicht von dem Abhebesignal a getrennt werden, da diese Signalkomponenten um etwa 90° phasenverschoben sind.

Das Ergebnis der zweiten Prüfung gestattet eine Interpre­ tation der Signale, die bei der ersten Prüfung durch ein Abheben oder magnetische Abscheidungen verursacht wurden.

In Fig. 3 ist schematisch ein Wirbelstromsensor zur Prü­ fung ferromagnetischer Rohre dargestellt. Dieser Sensor 30 entspricht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und dient der Durchführung zweier Prüfungen. Der Sensor 30 weist ein Paar von eng benachbarten "Armbandspulen" aus Flachspulen auf. Die erste Armbandspule 32 umfaßt beim be­ trachteten Ausführungsbeispiel acht Flachspulen 34 mit einem ersten Durchmesser, während die zweite Armbandspule 36 vier Flachspulen 38 mit einem zweiten Durchmesser auf­ weist. Eine torusförmige Wicklung (Ringwicklung) 40 wird als gemeinsame Referenzspule für die Flachspulen benötigt, die als Absolutwertsensoren arbeiten. Die erste Armband­ spule 32 ist so gestaltet, daß sie in dem Bereich B des Impedanzdiagramms arbeitet, während die zweite Armband­ spule 36 für das Arbeiten in dem Bereich A vorgesehen ist. Die beiden Armbandspulen 32, 36 werden gemeinsam betätigt, um an einer Anzeige Signale in einer Weise zu erzeugen, daß eine Verknüpfung dieser Signale bezüglich einer Prüf­ stelle bzw. einer geprüften Stelle des Rohres erfolgen kann.

Im einzelnen erzeugt die erste Armbandspule 32 ein Signal, welches magnetische Abscheidungen, Fehler und ein Abheben anzeigt, während die zweite Armbandspule 36 unterscheid­ bare Signale erzeugt, von denen eines das Vorliegen von magnetischen Abscheidungen und Permeabilitätsschwankungen anzeigt, während das andere ein Abheben und Defekte an­ zeigt. Durch Analysieren aller genannten Signale ist es möglich, das Vorliegen von Anomalien zu bestimmen.

Der Spulendurchmesser und die Testfrequenz bestimmen den Arbeitspunkt. Bei der Wahl der Test- bzw. Prüffrequenz muß jedoch auch die beschränkte Eindringtiefe (skin Effekt) Berücksichtigung finden; es ist also zu bevorzugen, wenn die Prüffrequenz sich nicht zu stark von den Arbeitspunk­ ten unterscheidet. Aus diesem Grund arbeitet die erste Armbandspule 32 gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel mit einer Frequenz, die niedriger ist als etwa 50 kHz, während die zweite Armbandspule 36 mit einer Frequenz ar­ beitet, die höher ist als etwa 200 kHz, wobei der Durchmesser der Flachspulen 38 der zweiten Armbandspule 36 etwa doppelt so groß ist wie der Durchmesser der Flach­ spulen 34 der ersten Armbandspule 32. Andere Kombinationen von Prüffrequenzen und Flachspulendurchmessern können gewählt werden, um Arbeitspunkte vorzugeben, welche für bestimmte Prüfvorgänge besonders vorteilhaft sind. Es ist daher beispielsweise möglich, für beide Armbandspulen 32, 36 dieselbe Prüffrequenz, aber unterschiedliche Flach­ spulendurchmesser zu wählen, solange zwei geeignete Ar­ beitspunkte verwendet werden.

Wie aus den nachfolgend beschriebenen Beispielen deutlich werden wird, können bei der Realisierung eines Wirbel­ stromsensors gemäß der Erfindung auch verschiedene andere Spulenkonfigurationen eingesetzt werden.

Fig. 4 zeigt ein derartiges Ausführungsbeispiel, bei dem die erste Armbandspule und die zweite Armbandspule bezüg­ lich der Sensorachse, d. h. bezüglich der Gehäusemittel­ achse, in derselben axialen Position angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich für die zweite Arm­ bandspule 44 wegen des Vorhandenseins der ersten Armband­ spule 42 eine geringere magnetische Kopplung mit dem Rohr und damit eine geringere Empfindlichkeit. Andererseits ist jedoch die Korrelation hinsichtlich der Prüfstellen exak­ ter.

Die einzelnen Flachspulen der Armbandspulen können alle in derselben Richtung gepolt sein. Bei anderen Ausführungs­ beispielen sind jedoch die Flachspulen der einen Armband­ spule abwechselnd entgegengesetzt gepolt, um in Umfangs­ richtung eine Kompensation zu erzielen und eine hundert­ prozentige Abdeckung der Rohroberfläche zu erreichen.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorlie­ genden Erfindung, bei dem die Spulen zu einer Differen­ tialkonfiguration geschaltet sind. Im einzelnen sind zwei Paare von identischen ersten und zweiten Armbandspulen 52 und 54 nebeneinander angeordnet, um eine differentielle Prüfung bzw. eine Differenzprüfung durchzuführen.

In Fig. 6 ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel sche­ matisch dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel han­ delt es sich um einen Wirbelstromsensor mit einer soge­ nannten Sende/Empfangs-Konfiguration. Bei jeder der beiden Armbandspulen 1 und 2 bezeichnen die Bezugszeichen R und T die Empfangsspulen bzw. die Sendespulen. Wie bei den vor­ angehenden Ausführungsbeispielen umfaßt die erste Arm­ bandspule dabei wieder acht kleinere Flachspulen und ar­ beitet mit einer niedrigeren Frequenz. Ferner sind alle Flachspulen jeder Armbandspule elektromagnetisch in der­ selben radialen Richtung gepolt.

Claims (7)

1. Wirbelstromsensor zum Detektieren von Defekten in einem Rohr aus einem ferromagnetischen Material mit einem Sensorgehäuse, welches aus nicht-ferromag­ netischem, Material besteht und so ausgebildet ist, daß es zu Prüfzwecken in das zu prüfende Rohr eingeführt werden kann, wobei die Gehäuseachse im Gebrauch mit der Achse des zu prüfenden Rohres zusammenfällt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse eine erste und eine zweite Armbandspule (32, 36; 42, 44; 52, 54) konzentrisch zur Gehäuseachse angeordnet sind, daß die erste Armbandspule (32) auf ihrer Außenseite mehrere erste Flachspulen (34) aufweist, die als Ring rund um die Gehäuseachse angeordnet sind, einen ersten Durch­ messer haben und mit einer ersten Hochfrequenz betrie­ ben werden, und daß angrenzend an die erste Armband­ spule (32) die zweite Armbandspule (36) angeordnet ist, die auf ihrer Außenseite mehrere Flachspulen (38) aufweist, die als Ring rund um die Gehäuseachse ange­ ordnet sind, einen zweiten Durchmesser haben, der größer als der erste Durchmesser ist, und mit einer zweiten Hochfrequenz betrieben werden, die gleich der ersten Hochfrequenz ist oder höher als dieselbe.

2. Wirbelstromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Armbandspule (32) acht Flach­ spulen (34) aufweist, die mit einer ersten Hochfre­ quenz betrieben werden, welche niedriger als etwa 50 kHz ist, und daß die zweite Armbandspule (36) vier Flachspulen (38) aufweist, die mit einer zweiten Hochfrequenz betrieben werden, welche höher als etwa 200 kHz ist.

3. Wirbelstromsensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Armbandspule (42) auf der Außenseite der zweiten Armbandspule (44) und konzen­ trisch zu dieser angeordnet ist (Fig. 4).

4. Wirbelstromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Durchmesser mindestens doppelt so groß ist wie der erste Durchmes­ ser.

5. Wirbelstromsensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die ersten und die zweiten Flachspulen (34, 38) in ihren Armbandspulen elektromagnetisch alternierend entgegengesetzt gepolt sind.

6. Wirbelstromsensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwei Spulenpaare mit jeweils einer ersten und einer zweiten Armbandspule (52, 54) ein­ ander benachbart angeordnet sind, um eine Differen­ tialsensoranordnung zu bilden (Fig. 5).

7. Wirbelstromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder der beiden Arm­ bandspulen die Hälfte der Flachspulen mit einem Sender und die andere Hälfte mit einem Empfänger verbunden ist (Fig. 6).