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Gebiet der
Technik
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Diese
Erfindung betrifft einen elektromagnetischen akustischen Wandler
zur Überprüfung von ferromagnetischen
Materialien, im Besonderen, wenn auch nicht ausschließlich, von
Gas-Pipelines.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine
zerstörungsfreie Überprüfung von
Materialien aus Metall, etwa von Materialien, aus denen bautechnische
Komponenten hergestellt werden, kann durch den Einsatz von Ultraschall
im Material durchgeführt
werden. Mit Hilfe des Empfangs und der Analyse des Ultraschallsignals
nach dessen Wanderung durch das Material können Informationen über Fehler
im Material erhalten werden.
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Ultraschall
wird in ein Material üblicherweise durch
piezoelektrische Wandler eingeführt,
die eine Seite aufweisen, die bei Ultraschallfrequenzen mechanisch
vibriert. Ultraschall wird normalerweise in das zu testende Material
mittels eines Kopplungsmediums, beispielsweise Wasser, eingeführt, das
zwischen der Wandlerseite und dem zu prüfenden Material eingeführt wird.
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Zur Überprüfung einiger
Materialien mittels Ultraschall ist es unpraktisch oder in manchen
Fällen unvorteilhaft,
ein Kopplungsmedium einzusetzen, etwa während der Inspektion von Gas-Pipelines durch
bewegliche Inspektionsfahrzeuge, die üblicherweise als Prüfmolche
bezeichnet werden. Unter diesen Umständen wird ein Mittel zur Trockenkopplung
des Ultraschalls in das Material benötigt.
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Ultraschall
kann in elektrisch leitenden Materialien durch die Anwendung eines
Hochfrequenz-Magnetfeldes in Gegenwart eines zweiten permanenten
oder langsam variierenden Magnetfeldes angeregt werden. Vorrichtungen,
die dies erreichen, werden elektromagnetische akustische Wandler
genannt (im Folgenden als EMATs bezeichnet).
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Für EMATs,
die zusammen mit einem permanenten Magnetfeld benutzt werden, ist
der übliche Betriebsmodus,
dass das von dem EMAT hergestellte Hochfrequenz-Magnetfeld im Material elektrische Wirbelströme erzeugt.
Diese Wirbelströme
fließen
in Gegenwart eines permanenten Magnetfeldes und erzeugen Lorentz-Kräfte, die
im Material wirken. Diese Kräfte
produzieren mechanische Ausschläge
innerhalb des Materials, die sich als Schallwellen ausbreiten. Im
ferromagnetischen Material gibt es zwei weitere Mechanismen, mit
denen das Hochfrequenz-Magnetfeld Schallwellen erzeugt, nämlich Magnetostriktion
und magnetische Volumenkräfte.
Diesen zusätzlichen
Kräften
kann auch eine wichtige Rolle in der Initiierung der Schallwellen
zukommen.
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Für EMATs
wurden schon zahlreiche Designs vorgeschlagen, die jeweils durch
eine spezielle Geometrie der beiden Hauptbestandteile eines EMAT,
nämlich
durch den Mechanismus zur Erzeugung eines permanenten Magnetfeldes
im Prüfstück und die
zum Transport des elektrischen Hochfrequenzstroms verwendete elektrische
Wicklung, charakterisiert sind. Eine Veränderung dieser EMAT-Komponenten
kann darin resultieren, dass der in das Prüfstück eingeführte Ultraschall sich bezüglich Einstrahlungsrichtung
oder Ausbreitungsmodus ändert,
z.B. Kompressionsmodus oder transversaler (Quer-) Modus. Derartige
elektromagnetische akustische Wandler, in denen magnetische Mittel
und elektrische Wicklung Wellen (elektromagnetische Anregung von
Ultraschall) auf der Materialoberfläche erzeugen, sind im US-Patent
US-A-4.727.321 beschrieben.
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Fast
alle EMAT-Wandler leiden an "Barkhausen"-Rauschen, wenn sie über die
Oberfläche
eines ferromagnetischen Systems bewegt werden. Barkhausen-Rauschen
ist auf die diskontinuierliche Bewegung der ferromagnetischen Domänengrenzen während der Änderung
der Grobmagnetisierung des ferromagnetischen Materials unter dem
Sättigungsfeld
für dieses
Material zurückzuführen. Dies
ist durch die Magnetisierungskomponenten innerhalb des EMAT-Wandlers
bedingt. Barkhausen-Rauchen kann für EMAT-Rohrüberprüfung unter Verwendung von Molchen
ein ernstes Problem darstellen, da diese Inspektionen bei hohem
Tempo durchgeführt
werden.
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Es
werden zahlreiche Kompromisse im Design der EMATs gemacht, aber
die Anordnung der Magnetfeldkomponenten und der elektrischen Wicklungen
kann nur innerhalb jener Grenzen erfolgen, die durch die grundlegende
physikalische Betriebsweise gesetzt werden. Jeder Typ von EMAT hat
seine grundlegende Anordnung an Magneten und Wicklungen. Sobald-
dies ausgewählt
wurde, was üblicherweise
so ausgesucht wird, dass die gewünschte
Wellenart erzielt werden kann, können
andere Designaspekte, wie Größe, Dicke
der Verschleißplatte,
Masse, Steifigkeit, Wärmetoleranz
und Belastbarkeit, selektiert werden. Diese sind praktische Überlegungen, die
durch die Betriebsumgebung eingeschränkt sind, und schränken oft
die akustische Leistung des Wandlers ein, wie z.B. durch die akustische
Ausgangsamplitude oder das Vorherrschen von Barkhausen-Rauschen
gemessen. Das Designproblem wird daher erheblich von der grundlegenden
Methode des EMAT-Betriebs beeinflusst, welche in einigen Umgebungen
jedwede praktische Lösung
ausschließt.
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Zusammenfasung
der Erfindung
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Es
wäre wünschenswert,
einen EMAT bereitstellen zu können,
dessen Konstruktion so gestaltet werden kann, dass bedeutend mehr
Flexibilität
in den Wandlerdesigns möglich
ist und dass es dem Wandler ermöglicht,
in einer größeren Anzahl
an Betriebsumgebungen als zuvor verwendet zu werden. Die oben beschriebenen
Designprobleme werden durch einen elektromagnetischen akustischen
Wandler gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Es
wird erkannt, dass bei einer derartigen Anordnung die magnetische
Komponente des Wandlers in einem räumlichen Abstand zur elektrischen Wicklungskomponente
angebracht ist, wobei die beiden Komponenten des Wandlers der Reihe
nach auf das zu prüfende
Material in einem beliebigen Zeitintervall zwischen den Einsätzen der
beiden Komponenten angewendet werden.
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Dieser
Abstand zwischen den beiden Komponenten hat große Auswirkungen auf mögliche Wandlerdesigns.
In einigen spezifischen Anwendungen, wie etwa der In spektion von
Rohren, können verschiedene
technische und kommerzielle Vorteile er- reicht werden. Weiters
wird das Barkhausen-Rauschen beseitigt.
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Das
Magnetmittel, das Permanentmagnetmaterialien oder ein Elektromagnetjoch
enthalten kann, kann linear über
die zu prüfende
Materialoberfläche
gezogen oder gerollt werden. In jedem Fall nimmt das Muster der
Remanenz-Magnetisierung die Form eines oder mehrerer Streifen der
verschieden ausgerichteten Remanenz-Magnetisierung an, die jeweils der Spur
des Magnetmittels folgen.
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Die
kontinuierliche elektrische Wicklung kann eine oder mehrere miteinander
verbundene Spulen aufweisen, die in einer Ebene, beispielsweise als
Flachspule oder als Mäanderspule,
oder um einen ferromagnetischen Kern, etwa einen C-Kern, gewickelt
sind können.
In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind das Magnetmittel und die elektrische Wicklung
miteinander verbunden, damit sie als eine Einheit bewegt werden
können
(wenn sie auch so flexibel miteinander verbunden sind, dass jede
Komponente der Oberfläche
folgen kann), wobei die elektrische Wicklung der Spur des Magnetmittels
mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen folgt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Anregung von Ultraschall in einem ferromagnetischen Testmaterial
bereitgestellt, welches die Schritte der Erstellung eines Remanenz-Magnetisierungsmusters
in der Oberflächenschicht
des Materials und anschließend
an die Magnetisierung den Schritt des Anwendens eines magnetischen
Wechselflusses auf das Material umfasst, um mit dem remanenten Magnetfeld
wechselzuwirken und dadurch ein Ultraschallschwingen des Materials
hervorzurufen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
Zeichnung zeigt, teilweise aufgeschnitten, einen EMAT gemäß der Erfindung.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnung ist ein zu prüfendes ferromagnetisches Material,
das beispielsweise eine stählerne
Hochdruck-Gas-Pipeline sein kann, im Allgemeinen mit 2 bezeichnet,
und ein erfindungsgemäßer EMAT
zur Erzeugung von horizontal polarisierten, geführten Scherwellen ist im Allgemeinen
mit 4 bezeichnet.
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Der
EMAT umfasst zwei unterschiedliche und getrennte Komponenten, nämlich ein
Magnetisierungsmittel, im Allgemeinen mit 6 bezeichnet,
und eine elektrische Wicklungseinheit, im Allgemeinen mit 8 bezeichnet.
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Das
Magnetisierungsmittel 6 umfasst eine lineare Anordnung
an Magneten 10 mit alternierenden Magnetpolen N bzw. S,
deren Mittelpunkte in einem Abstand voneinander beabstandet sind,
der gleich groß oder
kürzer
als die Hälfte
der Wellenlänge
des gewünschten,
im Material der Pipeline 2 zu erzeugenden Ultraschalls
ist. Die Magnete 10 sind mit einem verschleißfesten,
nichtmagnetischen Materialband ummantelt, in der Zeichnung teilweise
abgebildet und mit 12 beziffert, das die Unterseite der
Magnete 10 nicht überlagert
oder bedeckt, aber dazu dient, die Abnutzung der Magnete 10 am
zu prüfenden
Material 2 einzuschränken – die Unterseite
der Magnete 10 kann mit der Pipeline 2 in Kontakt
kommen oder von dieser durch einen sehr kleinem Spalt beabstandet
sein.
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Das
Magnetisierungsmittel 6 umfasst ein Gehäuse 14, das die Magnete 10 beinhaltet
und die zweckdienliche Befestigung des Magnetisierungsmittels 6 durch
eine erste Verbindungsstange 16 an einer Stützkonstruktion 18 ermöglicht,
wobei das Magnetisierungsmittel 6 entlang der zu prüfenden Oberfläche senkrecht
zur Anordnung der Magnete 10 gezogen werden kann.
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Die
elektrische Wicklungseinheit 8 umfasst einen Satz C-Kerne 20,
deren Spulen miteinander verbunden sind, um eine einzige kontinuierliche Wicklung 22 zu
bilden. Die Kerne 20 sind auf einer Verschleißplatte 24 befestigt,
die aus elektrisch nichtlei tendem Material besteht, das angepasst
ist, um an die Oberfläche
der Pipeline 2 zu binden. Die Platte 24, die einige
Millimeter dick sein und eine unbedeutende Auswirkung auf die akustische
Effektivität
der Vorrichtung haben kann, wenn mit zur Inspektion des Rohrs verwendbaren
Frequenzen gearbeitet wird, schützt
die Kerne 20 vor der Materialoberfläche.
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Die
Anordnung 8 beinhaltet ein Gehäuse 26, das die Kerne 20 vor
elektromagnetischer Interferenz abschirmt, das zum Empfang akustischer
Signale sehr wichtig ist und das es der Anordnung 8 ermöglicht,
einfach an der Stützkonstruktion 18 durch
eine zweite Verbindungsstange 28 befestigt zu werden. Die
Anordnung 8 ist folglich hinter dem Magnetisierungsmittel 6 mit
den Kernen 20 in einer Reihenanordnung senkrecht zur erwarteten
Bewegungsrichtung und parallel zur Magnetenreihe 10 positioniert, wobei
die Spulen so platziert sind, dass der durch Hochfrequenzanregung
der Kerne 20 erzeugte Magnetfluss mit der Oberfläche des
zu prüfenden
Materials 2 wechselwirkt.
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Während des
Betriebs werden das Magnetisierungsmittel 6 und die elektrische
Wicklungsanordnung 8 gemeinsam mit Hilfe der Verbindungsstangen 16, 28 und
der Stützkonstruktion 18 entlang
der Oberfläche
der Pipeline 2 fortbewegt, sodass die Kerne 20 den
Magneten 10 mit der Wicklung 22, die von einer
Hochfrequenz-Stromquelle
angetrieben wird, folgen.
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Die
Magnete 10 magnetisieren die Oberfläche der Pipeline 2,
wie oben beschrieben, um darin eine remanente Magnetisierung zu
erzeugen, wobei der nachher angewandte Hochfrequenz-Magnetwechselfluss,
der durch Anordnung 8 produziert wird, mit dieser remanenten
Magnetisierung wechselwirkt, um horizontal polarisierte Scherwellen
innerhalb der Pipeline 2 aus der Umgebung der Kerne 20 zu
erzeugen, wobei sich der resultierende Ultraschall im Wesentlichen
parallel zur Reihe der Kerne 20 ausbreitet.
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Wird
die Anordnung 8 wie ein Empfänger verwendet, dann ist die
Wicklung empfindlich für
horizontale Scherwellen, welche aus einer Richtung kommen, die im
Wesentlichen parallel zur Reihe der Kerne 20 ist.
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Folglich
umfasst der EMAT dieser Erfindung tatsächlich zwei getrennte Komponenten,
die mechanisch miteinander verbunden sein können oder auch nicht. Die erste
Komponente ist ein Magnetisierungsmittel, das Permanentmagnetmaterialien
oder ein Elektromagnetjoch enthält,
das ein vorbestimmtes Muster remanenter Magnetisierung in einer
Oberflächenschicht
des zu prüfenden
Materials erstellt, wenn es auf die oder nahe der Oberfläche des
zu prüfenden
ferromagnetischen Materials platziert und danach wegbewegt wird.
Das Remanenz-Muster kann einfach durch Ziehen der Vorrichtung in
linearer Bewegung über
die Oberfläche
erzeugt werden. In diesem Fall nimmt das Remanenz-Muster die Form eines
oder mehrerer linearer Streifen verschiedenartig ausgerichteter
remanenter Magnetisierung an, wobei jeder Streifen der Spur des
Magnetisierungsmittels folgt.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann das Magnetisierungsmittel einen Zylinder umfassen, der ein
magnetisches Muster enthält
und entlang des zu prüfenden
Materials gerollt werden kann, um eine Remanenz-Magnetisierung zu
erzeugen, die wiederum die Form eines oder mehrerer linearer Streifen verschiedenartig
ausgerichteter Remanenz-Magnetisierung annehmen kann, wobei jeder
Streifen der Spur eines zugeordneten magnetischen Teils des Zylinders
folgt.
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Die
zweite Komponente ist eine elektrische Wicklungsanordnung, die bei
sehr naher Positionierung am zu prüfenden Material dazu in der
Lage ist, hochfrequente magnetische Wechselflüsse in der Materialoberfläche zu erzeugen.
Eine große
Auswahl an Wicklungen ist verwendbar, von denen einige mit Hochfrequenz-Elektromagnetochen
kombiniert werden können.
Die für
EMAT-Wandler übliche
Wicklungsarten können
verwendet werden, mit der Ausnahme, dass sie keine ihnen zugeordnete
fixe Magnetanordnung haben. Die Wicklungskomponente ist so positioniert,
dass Ultraschallschwingungen innerhalb des zu prüfenden Materials entstehen
und sich darin so ausbreiten, dass die Ultraschallüberprüfung des
Materials durchgeführt
werden kann, wenn der hochfrequente magnetische Wechselfluss mit
dem Muster der Remanenz-Magnetisierung
wechselwirkt. Als Alternative zu den erläuterten C-Kernen kann die elektrische
Wicklungseinheit eine oder mehrere miteinander verbundene scheibenförmige Spulen
in der Flachspulenbauweise umfassen.
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Die
Erzeugung von Ultraschall im zu prüfenden ferromagnetischen Material
wird im Wesentlichen durch einen zweistufigen Prozess erreicht.
Die erste Stufe umfasst die Vorbehandlung des ferromagnetischen
Materials analog zur Aufzeichnung eines magnetischen Musters auf
magnetischen Medien, wie z.B. auf einem Magnetband. Für jedes
Material mit signifikanter Remanenz, wie beispielsweise Baustahl,
bleibt dieses Muster als stabile magnetische Konfiguration im Testmaterial,
nachdem das Magnetisierungsmittel darüberbewegt oder entfernt wurde, zurück. Die
zweite Stufe sieht die Einführung
des hochfrequenten magnetischen Wechselflusses vor, der mit dem
Muster remanenter Magnetisierung wechselwirkt und den Ultraschall
initiiert. Soll der Ultraschall empfangen werden, dann ist das Material wie
zuvor magnetisch vorbehandelt, aber die elektrische Wicklung wird
als Empfängerspule
betrieben und wandelt den Ultraschall in ein elektrisches Signal um.
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Die
beschriebene und anschaulich dargestellte Anordnung zeigt, dass
die Wicklung der Spur der Magnetisierungskomponente in einem passenden
Abstand dazwischen folgt, wobei jede linear mit Hilfe der Rahmenkonstruktion
gezogen wird, die beide Komponenten stützt. Diese Anordnung ist besonders
vorteilhaft für
Fahrzeuge zur Pipeline-Inspektion und ist sowohl für die Übertragung
als auch für
den Empfang von Ultraschall geeignet.
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Ein
wichtiger Vorteil dieses EMAT-Modells ist, dass der EMAT kein Barkhausen-Rauschen mehr produziert,
wenn er als Empfangsvorrichtung mit einer lediglich als Abhörvorrichtung
arbeitenden Wicklung betrieben wird. Der Grund dafür ist, dass
das Muster remanenter Magnetisierung im ferromagnetischen Material
innerhalb des Bezugssystems des zu prüfenden Materials an der Position
der Empfangsvorrichtung stabil ist und sich mit der Zeit auch nicht ändert. Dies
geschieht gänzlich
ungeachtet davon, ob die Empfangsvorrichtung in Bewegung ist oder nicht.
Dies unterscheidet sie von einer herkömmlichen Empfangsvorrichtung,
die während
ihrer Bewegung über
die Oberfläche
des zu prüfenden
Materials Barkhausen-Rauschen erzeugen würde, da die Magnete in der
Empfangsvorrichtung den Magnetisierungszustand des Materials kontinuierlich
modifizieren.
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Ein
weiterer Vorteil dieses EMAT-Modells ist es, dass die Fertigung
der beiden Hauptbestandteile unabhängig voneinander erfolgen kann.
Es ist nicht länger
notwendig, die Magnete rund um die Wicklung oder umgekehrt anzuordnen,
da sie nicht mehr länger
an derselben Position platziert sind. Beide Komponenten können weniger
Masse als die herkömmliche,
kombinierte Gruppierung aus Wicklungen und Magneten haben, was die
Systemdynamik verbessert. Die Magnetklemmkräfte zwischen dem Wandler und
dem zu prüfenden
Material sind auf das Magnetisierungsmittel beschränkt, und
daher treten die Verschleißprobleme
prinzipiell nur bei einer Einheit auf. Die Verschleißprobleme
können
dann durch unkonventionelle Mittel gelöst werden, beispielsweise dadurch
Zulassen einer signifikanten Abnutzung und Verwendung von Einweg-Jochoberflächen und
nicht von gehärteten
Verschleißoberflächen. Außerdem kann
die Dicke der Verschleißplatte
oder der Verschleißschutzsohle,
die zusammen mit der elektrischen Wicklung benutzt wird, erheblich
größer sein als üblicherweise
von EMATs verwendet wird. Der Grund dafür ist, dass die Wicklung viel
toleranter betreffend der "Ablösetechnik" ist, da das remanente Feld
ins zu prüfende
Material geprägt
wird und sich durch das Abheben nicht reduziert. Ganz anders ist dies
bei einem herkömmlichen
EMAT, bei dem die Feldquelle zusammen mit der Wicklung von der Oberfläche gehoben
wird und sich der Wirkungsgrad durch das Abheben sehr schnell verringert.
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Der
EMAT dieser Erfindung braucht den Vergleich mit herkömmlichen
EMATs absolut nicht zu scheuen, was die Erzeugung horizontal polarisierter Scherwellen
betrifft, die eine Anordnung nah beieinander liegender Magnete verwenden.
In diesen bekannten Fällen ändert sich
das auf der Plattenoberfläche
angewandte Feld sehr schnell was Amplitude und Richtung anbetrifft
bei kleinen Veränderungen der
räumlichen
Position im Plattenmaterial direkt unterhalb des Wandlers. Die Komplexität des Feldmusters
macht diese Wandler besonders anfällig für das bewegungsbedingte Barkhausen-Rauschen.
Außerdem
sind herkömmliche
EMATs zur Verwendung in Pipeline-Umgebungen sperrig, haben einen
bedenklich hohen Effektivitätsverlust
nach Abheben des Sensors und einen besonders hohen Verschleiß.