DE68918682T2

DE68918682T2 - Methode zur Messung des magnetischen Flusses und Gerät zur Anwendung dieser Methode.

Info

Publication number: DE68918682T2
Application number: DE1989618682
Authority: DE
Inventors: Seigo Patent License Dept Ando
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1988-12-15
Filing date: 1989-12-15
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2009-12-16
Also published as: DE68918682D1; EP0376095A1; EP0376095B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen van Magnetfluß und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die beispielsweise zur Rißerkennung aus Streufluß anwendbar sind.
Als Verfahren zum Detektieren eines Risses in einem Stahlrohr, einem Stahlblech usw. gibt es drei verschiedene Möglichkeiten, und zwar ein Ultraschall-Rißdetektierverfahren, ein Wirbelstrom-Rißdetektierverfahren und ein Streufluß-Rißdetektierverfahren. Von diesen Verfahren wird das Streufluß-Rißdetektierverfahren relativ häufig angewandt, weil es Risse in beiden Seiten eines dicken Stahlblechs von nur einer Seite aus detektieren kann und hohe Empfindlichkeit beim Detektieren von Rissen im Inneren eines Stahlrohrs hat.
Eine typische bekannte Technik des Streufluß-Rißdetektierverfahrens wird nachstehend beschrieben. Wie Fig. 1 zeigt, liefert eine Gleichstromquelle 3 einen Gleichstrom an eine Spule 2, die um ein Magnetisierungsjoch 1 gewickelt ist. Ein prüf stück 4 wird auf dem Magnetisierungsjoch 1 angeordnet und dort magnetisiert. Wenn das Prüfstück 4 einen Riß 5 aufweist, tritt Magnetfluß teilweise zur Außenseite des prüfstücks 4 aus dem Riß 5 aus, wie in Strichlinien angedeutet ist. Ein Magnetflußsensor 6 erfaßt den Streufluß und wandelt ihn in ein elektrisches Signal um. Auf diese Weise wird der Riß 5 auf indirekte Weise detektiert. Der aus dem Riß 5 austretende Streufluß ist sehr schwach, wie in Fig. 2 zu sehen ist, die Beziehungen zwischen dem Streufluß und dem Abstand zwischen einer Oberfläche eines Stahlmaterials und einem Hall-Element als dem Magnetflußsensor zeigt. Fig. 3 zeigt ein Stahlmaterial, das für eine Messung in Fig. 2 zu verwenden ist. In der Figur bezeichnet W die Breite des Risses, und "d" bezeichnet die Rißtiefe.
Daraus ist ersichtlich, daß die Anforderungen an den Magnetflußsensor 6 zur Erfassung des Streuflusses die folgenden sind: 1) Die Empfindlichkeit des Magnetflußsensors für ein schwaches Magnetfeld ist hoch. 2) Die anfängliche Vormagnetisierungs-Spannung des Sensors ändert sich nur wenig. 3) Die Temperatur-Charakteristik des Sensors ist gut.
Die Empfindlichkeit des derzeit auf dem Markt befindlichen Magnetflußsensors ist aber sehr gering, wie Fig. 4 zeigt. Dort bezeichnet eine Gerade "a" die Empfindlichkeit einer Magnetodiode als Magnetflußsensor; eine Gerade "b" bezeichnet die Empfindlichkeit eines Magnetowiderstands-Sensors; eine Gerade "c" bezeichnet die Empfindlichkeit eines Hall- Elements.
Eine Änderung der anfänglichen Vormagnetisierungs-Spannungen von zwölf Magnetowiderstands-Sensoren ist in dem Diagramm von Fig. 5 gezeigt. Daraus ist ersichtlich, daß die anfänglichen Vormagnetisierungs-Spannungen der Sensoren stark voneinander verschieden sind. Vor dem Betrieb muß daher die anfängliche Vormagnetisierungs-Spannung jedes Sensors eingestellt werden; anderweitig wird, wenn das Meßsignal verstärkt wird, der den Sensor mit der niedrigen anfänglichen Vormagnetisierungs-Spannung verwendende Verstärker gesättigt, und infolgedessen ist der Rißdetektor für die Rißdetektierung nicht brauchbar.
Eine Temperaturcharakteristik einer Magnetodiode 7 verläuft entsprechend Fig. 7, wenn sie unter Anwendung einer Schaltung gemessen wird, bei der eine Magnetodiode 7 über einen Widerstand 8 mit einer Gleichspannungsquelle 9 verbunden ist, wie Fig. 6 zeigt. Wie zu sehen ist, ist die Änderungsrate einer Ausgangs spannung des Sensors gegenüber der Temperatur hoch.
Aus US-A-3 617 874 ist ein magnetischer Streufeld-Rißdetektor bekannt, der einen Ringkern aus Magnetmaterial verwendet. Eine Erregerwicklung ist auf den Kern gewickelt, um ein Magnetfeld vollkommen innerhalb des Kerns zu erzeugen. Eine Aufnehmerwicklung ist diametral um den Kern gewickelt. Die Wechselwirkung zwischen einem Streufeld und dem erregten Feld in dem Kern erzeugt ein Ausgangssignal an der Aufnehmerwicklung.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Magnetfluß-Meßverfahren und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, die gegenüber einem sehr kleinen Magnetfeld empfindlich, aber gegenüber Temperaturänderungen unempfindlich sind.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Magnetfluß-Meßverfahren angegeben, das die in Anspruch 1 angegebenen Schritte aufweist.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Magnetfluß-Meßvorrichtung gemäß Anspruch 5 angegeben.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Die prinzipien der Erfindung werden nachstehend beschrieben. Wie Fig. 8 zeigt, ist ein Oszillator 11 als Stromversorgung vorbestimmter Frequenz und Spannung in Reihe mit einer Festimpedanz 12 und einer Spule 14, die um einen ferromagnetischen Kern 13 gewickelt ist, geschaltet. In der Reihenschaltung liefert der Oszillator 11 einen Wechselstrom einer Wellenform gemäß Fig. 9A an die Spule 14. Eine über die Spule 14 erzeugte Spannung hängt von einem Widerstandswert R der Festimpedanz 12 und einem Scheinwiderstand Zs der Spule 14 ab, gegeben durch
eo = e Zs/(R + Zs)
wobei eo = Spannung über die Spule 14 und
e = Ausgangsspannung des Oszillators 11.
Ein Scheinwiderstand der Spule 14 ändert sich proportional zu einer magnetischen Permeabilität des Kerns 13, weil sie um den Kern 13 gewickelt ist. Es sei angenommen, daß der Spule 14 ein Wechselstrom in einem Zustand zugeführt wird, in dem ein Magnet 15 zur Erzeugung eines äußeren Magnetfelds von dem Kern 13 getrennt ist, d. h. in dem kein äußeres Magnetfeld an den Kern 13 angelegt ist. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich eine magnetische Permeabilität des Kerns 13 gemäß Fig. 10B aufgrund seiner Hysterese-Eigenschaft, die in Fig. 10A gezeigt ist. In der Figur ist "n" die Windungszahl der Spule, und "i" ist ein Spulenstrom.
Dementsprechend ändert sich eine über die Spule 14 erzeugte Ausgangsspannung entsprechend Fig. 9B. Wie ersichtlich ist, ist unter der Bedingung, daß kein äußeres Magnetfeld angelegt ist, eine Wellenform der Spannung über die Spule symmetrisch in bezug auf den Nullpegel, und ein positiver Spitzenwert vl der Spannung über die Spule ist gleich einem negativen Spitzenwert v2.
Wenn der Magnet 15 nahe an die Spule 14 gebracht ist, wie eine Strichlinie in Fig. 8 zeigt, ist der durch den Kern 13 gehende Magnetfluß die Summe des von der Spule 13 erzeugten Flusses und des von dem äußeren Magnetfeld erzeugten Flusses. Infolgedessen nimmt eine über die Spule 14 erzeugte Spannung eine Wellenform gemäß Fig. 9C an, und v1 > v2.
Diese Tatsache zeigt, daß ein äußeres Magnetfeld auf eine solche Weise indirekt erfaßt werden kann, daß der positive Wert vl und der negative Wert v2 der Spannung über die Spule 14 verglichen werden und eine Differenz zwischen beiden erhalten wird. Wenn dies auf das Streufluß-Rißdetektierverfahren angewandt wird, kann ein Riß detektiert werden, weil ein Riß einen Streufluß erzeugt.
Die in den Ansprüche 1 und 5 angegebene Erfindung basiert auf dem oben erläuterten Prinzip. Eine Magnetflußmessung wird durchgeführt, indem ein Wechselstrom vorbestimmter Frequenz und Spannung einer Spule, die um einen ferromagnetischen Kern gewickelt ist, durch eine Festimpedanzeinrichtung zugeführt und ein Pegel einer Gleichspannungskomponente einer über die Spule erzeugten Spannung detektiert wird.
Bei Betrachtung einer Wellenform der über die Spule 14 erzeugten Spannung unter einem anderen Gesichtspunkt werden die Zeitdauern τ und τT, in denen Spannungspegel feste Referenzspannungen ER bzw. DER erreichen, zu τT = 2τ, wie Fig. 11A zeigt, wenn kein äußeres Magnetfeld angelegt wird. Wenn ein äußeres Magnetfeld angelegt wird, werden die Zeitdauern τ und τT, in denen Spannungspegel feste Referenzspannungen ER bzw. -ER erreichen, zu τT ≠ 2τ, wie Fig. 11C zeigt.
Infolgedessen kann ein äußeres Magnetfeld auf die Weise gemessen werden, daß gemäß den Fig. 11B und 11D eine Wellenform der Spannung, die über die Spule erzeugt wird, in ein Spannungssignal unveränderlicher Amplitude von einer Pegeldiskriminierungsschaltung mit Referenzspannungen ER und -ER, wie etwa einem Vergleicher mit einer Hysterese-Charakteristik umgewandelt wird, und daß die Dauern τ1 und τ2, während welcher sich der Spannungspegel von ER zu -ER bzw. von -ER zu ER ändert, in Form einer Impulsdauer des umgewandelten Spannungssignals gemessen und die Meßresultate genutzt werden.
Die in Anspruch 10 angegebene Erfindung basiert auf dem obigen Prinzip. Gemäß Anspruch 10 erzeugt für die Magnetflußmessung eine Pegeldiskriminierungsschaltung ein Spannungssignal nach Maßgabe einer Wellenform der über die Spule erzeugten Spannung, und eine Impulsdauer des Spannungssignals wird detektiert.
In Anspruch 11 ist die Festimpedanzeinrichtung durch eine zweite Spule ersetzt, deren Kern aus ferromagnetischem Material besteht. Die Impedanz der beiden Spulen ist nach Maßgabe eines externen Magnetfelds veränderlich, dessen Magnetfluß durch die Spulen geht. Ein Verbindungspunkt zwischen diesen Spulen liefert eine Spannung, die einer Differenz zwischen den Magnetfeldstärken der Spulen proportional ist. Somit ist eine Magnetflußmessung möglich durch geeignete Verarbeitung der Spannung unter Anwendung einer Gleichspannungskomponente-Detektiereinrichtung ähnlich derjenigen von Fig. 5 und einer Impulsdauer-Modulationseinrichtung ähnlich derjenigen von Anspruch 10.
Temperaturänderungen beeinflussen den Wicklungswiderstand der Spule und die permeabilität des ferromagnetischen Kerns, obwohl dieser Einfluß nur gering ist. Eine Änderung der Impedanz der Spule aufgrund der Temperaturänderung verursacht eine gleiche Änderung des Magnetisierungsstroms mit einem Ausschlag in positiver und negativer Richtung. Daher werden die Änderungen gegeneinander aufgehoben und verursachen kein Weglaufen der Spannung infolge der Temperaturänderung. Wenn der durch die Spule fließende Magnetisierungsstrom erhöht wird, bis der ferromagnetische Kern gesättigt ist, wird die Ausgangs spannung über die Spule bei einem unveränderlichen Wert gekappt. Die positive und die negative Amplitude und die Phase der Spannung über die Spule werden nur um den Wert des externen Magnetfelds geändert. Das bedeutet, daß die Detektierempfindlichkeit gegenüber den Änderungen der Ausgangsspannung der Stromversorgung und dem Widerstandswert der Festimpedanzeinrichtung unempfindlich ist, wenn die Änderungen in einem zulässigen Bereich liegen.
Die in den Ansprüchen 3 und 6 angegebenen Merkmale verbessern einen Meßbereich des Magnetflußsensors. Wenn das Prüfstück keinen Riß enthält, tritt im wesentlichen ein Streufluß auf. In diesen Ansprüchen wird der Impulsstrom, der von einer Vormagnetisierungs-Gleichstromkomponente überlagert ist, dem Magnetflußsensor zugeführt. Wenn der Streufluß durch den Sensor geht, kann er innerhalb des Sensors aufgehoben werden.
Die in Anspruch 8 angegebenen Merkmale ändern eine Vormagnetisierungs-Gleichspannung nach Maßgabe eines Pegels des Streuflusses durch Ändern der Vormagnetisierungs-Gleichspannung, die auf den Sensor nach Maßgabe eines Pegels einer Gleichspannungskomponente der Spannung über die Spule aufgebracht wird.
Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus der nachstehenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen; die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung eines herkömmlichen Streufluß-Rißdetektierverfahrens;
Fig. 2 ein Diagramm, das Beziehungen zwischen der Streuflußdichte gegenüber der Oberfläche eines zu prüfenden Stahlwerkstoffs und eines Hall-Elements in Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 eine Perspektivansicht, die einen in Fig. 2 verwendeten Stahlwerkstoff mit einem Riß zeigt;
Fig. 4 ein Diagramm, das Beziehungen zwischen der Magnetflußdichte und einer Ausgangsspannung der verschiedenen herkömmlichen Sensoren zeigt;
Fig. 5 ein Diagramm, das eine Änderung von anfänglichen Vormagnetisierungs-Spannungen von Magnetowiderstandseinrichtungen zeigt;
Fig. 6 ein Schaltbild einer Meßschajitung zum Messen einer Ausgangsspannung gegenüber der Temperatur-Charakteristik einer herkömmlichen Magnetodiode;
Fig. 7 ein Diagramm, das eine Ausgangsspannung gegenüber der Temperatur-Charakteristik der herkömmlichen Magnetodiode zeigt, gemessen unter Anwendung der Schaltung von Fig. 6;
Fig. 8 ein Schaltbild, das die Prinzipien der Erfindung erläutert;
Fig. 9A die Wellenform einer Ausgangsspannung eines Oszillators in der Schaltung von Fig. 8; Fig. 9B
und 9C Wellenformen der Spannungen über eine Spule in der Schaltung von Fig. 8;
Fig. 10A und 10B eine Hysterese-Charakteristik und eine Charakteristik der magnetischen Permeabilität eines in Fig. 8 verwendeten ferromagnetischen Kerns;
Fig. 11A bis 11D Wellenformen der Spannungen, die von dem Oszillator abgegeben werden und über die Spule auftreten, die zur Erläuterung eines zusätzlichen Prinzips der Erfindung nützlich sind;
Fig. 12 ein Schaltbi1d einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 13 ein Diagramm, das eine Magnetflußdichte gegenüber einem Ausgangsspannungsverlauf (einer Detektierempfindlichkeits-Charakteristik) der Ausführungsform von Fig. 12 zeigt;
Fig. 14 ein Diagramm einer Änderung einer Spannung über die Spule gegenüber einer Änderung des Widerstandswerts;
Fig. 15 ein Diagramm einer Änderung einer Vormagnetisierungs-Spannung der Spule gegenüber einer Änderung einer Ausgangsspannung des Oszillators;
Fig. 16 ein Diagramm einer Änderung einer Vormagnetisierungs-Spannung der Spule gegenüber einer Änderung des Widerstandswerts;
Fig. 17 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 18 ein Schaltbild noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 19 ein Diagramm einer Magnetflußdichte gegenüber einem Ausgangsspannungsverlauf (der Detektierempfindlichkeits-Charakteristik) der Ausführungsform von Fig. 18;
Fig. 2a ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 21 ein Diagramm zur Erläuterung einer Magnetfluß-Meßvorrichtung;
Fig. 22 ein Diagramm einer Beziehung einer Ausgangsspannung zu einem Magnetisierungsstrom der Vorrichtung von Fig. 21;
Fig. 23 ein Diagramm, das zur Erläuterung eines zusätz-1ichen Prinzips der Erfindung nützlich ist;
Fig. 24 ein Blockschaltbild, das eine Schaltung der Vorrichtung von Fig. 23 zeigt;
Fig. 25A bis 25C Wellenformen, die eine Charakteristik der Schaltung von Fig. 24 zeigen;
Fig. 26 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 27 ein Diagramm, das eine Beziehung einer Ausgangsspannung zu einem Magnetisierungsstrom der Schaltung von Fig. 26 zeigt; und
Fig. 28 ein Schaltbild, das eine zusätzliche Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Wie Fig. 12 zeigt, ist ein Oszillator 21 vorbestimmter Frequenz und Spannung mit einer Reihenschaltung aus einem Widerstand 22 als Festimpedanzeinrichtung und einer Spule, die um einen ferromagnetischen Kern 23 gewickelt ist, verbunden. Eine über die Spule 24 erzeugte Spannung eo wird einem Positivspannungsdetektor 25 und einem Negativspannungsdetektor 26 zugeführt. Die Ausgangsspannungen dieser Detektoren 25 und 26 werden einem Addierer 27 zugeführt, der eine Ausgangsspannung Vo erzeugt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Wechselstrom von dem Oszillator 21 zu dem Kern 23 durch den Widerstand 22 geleitet, bis der Kern 23 gesättigt ist.
Die Spannung über die Spule 24 wird von den Detektoren 25 und 26 aufgenommen. Der Detektor 25 erzeugt eine Gleichspannung V1, die einer positiven Spannung v1 der Spannung eo proportional ist. Der Detektor 26 erzeugt eine Gleichspannung V2, die einer positiven Spannung v2 der Spannung eo proportional ist.
Die Gleichspannungen V1 und V2 werden dem Addierer 27 zugeführt, in dem V1 + (-V2) berechnet wird. Der Addierer erzeugt eine Ausgangsspannung Vo. Wenn an den Kern 23 kein externes Magnetfeld angelegt ist, ist V1 = V2 , und die Ausgangsspannung Vo ist somit 0 V. Wenn an den Kern 23 ein externes Magnetfeld angelegt ist, ändern sich die Gleichspannungen V1 und V2 nach Maßgabe der Polarität und der Stärke des externen Magnetfelds. Infolgedessen hängt die Ausgangsspannung Vo des Addierers 27 Vo = V1 + (-V2) von dem externen Magnetfeld ab. Daher kann ein sehr kleiner Magnetfluß, der mit der Spule 24 gekoppelt ist, in Form der Ausgangsspannung Vo gemessen werden.
Das Magnetfluß-Meßsystem der Ausführungsform der Erfindung wurde angewandt, und das Meßergebnis entspricht Fig. 13. Bei einer sehr kleinen Magnetflußänderung von 0 bis 10 G änderte sich die Ausgangsspannung Vo in einem weiten Bereich von 0 bis ca. 500 mV. Das zeigt eine deutliche Verbesserung der Empfindlichkeit. In Fig. 13 zeigt eine Gerade "a" die Empfindlichkeit einer Magnetodiode als Magnetflußsensor, eine Gerade "b" die einer Magnetowiderstandseinrichtung und eine Gerade "c" die eines Hall-Elements. Diese Geraden a, b und c entsprechen denen von Fig. 2.
Wenn dieses Meßsystem für das Streufluß-Rißdetektierverfahren zum Nachweis von Rissen in einem Stahlrohr, einem Stahlblech und dergleichen angewandt wird, kann die Rißdetektierung mit hoher Präzision durchgeführt werden.
Bei einer anderen Messung mit dem Meßsystem dieser Ausführungsform war die Ausgangsspannung eo des Oszillators 21 30 Vp-p (Peak-peak-Spannung), die Magnetflußdichte wurde mit 10 G festgelegt, und der Widerstandswert R1 des Widerstands 22 wurde mit 50, 100, 150 und 200 Ω variiert. Die erhaltenen Ausgangsspannungen eo wurden entsprechend Fig. 14 aufgetragen. Während der Widerstandswert des Widerstands 22 nullbis viermal geändert wird, ändert sich die Ausgangsspannung eo um 0,5 V bis 0,2 V. Eine Empfindlichkeitsdifferenz für die kleinste Magnetfeldstärke war ungefähr 60 %. Wenn ein metallbeschichteter Widerstand als Widerstand 22 verwendet wird, ist seine Widerstandsänderung 1 % oder weniger bei einer Temperaturänderung von 0 bis 80 ºC. In der Praxis wird die Detektierempfindlichkeit durch die Temperaturänderung nicht verändert. Eine weitere Messung wurde durchgeführt, wobei der Widerstandswert R1 des Widerstands 22 100 Ω war und die Ausgangsspannung eo des Oszillators 21 zwischen 20 und 30 Vp-p geändert wurde. Bei der Messung wurde die Änderung einer Vormagnetisierungs-Spannung VB der Spule 24 gemessen, und das in Fig. 15 gezeigte Resultat wurde erhalten. Das heißt, eine maximale Änderung der Vormagnetisierungs-Spannung VB war 0,17 V. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Ausgangsspannung eo des Oszillators 21 gewöhnlich unter 1 % liegt, kann der Einfluß der Änderung der Vormagnetisierungs-Spannung auf die Magnetflußmessung vernachlässigt werden.
Bei einer weiteren Messung wurde die Ausgangsspannung des Oszillators 21 mit 30 Vpp eingestellt, und der Widerstandswert R1 des Widerstands 22 wurde auf 50, 100, 150 und 200 Ω geändert, und so wurde die Vormagnetisierungs-Spannung VB der Spule 24 gemessen. Das Meßresultat ist in Fig. 16 gezeigt. Die Änderung der Vormagnetisierungsspannung VB war 0,1 V. Da die Temperaturänderung des in der Praxis verwendeten Widerstands 22 unter 0,1 % liegt, kann eine Änderung der Driftspannung gegenüber der Temperaturänderung vernachlässigt werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei werden zur Bezeichnung gleicher Teile wie bei der vorhergehenden Ausführungsform die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 17 wird eine Ausgangs spannung eo über die Spule 24 von dem Vergleicher 28 verglichen, um eine Differenz zwischen positiven und negativen Spannungen V1 und V2 zu verstärken. Das Ausgangssignal des Vergleichers wird durch ein Tiefpaßfilter 29 geleitet und dann als eine Ausgangsspannung Vo abgegeben. Auch bei dieser Ausführungsform kann das externe Magnetfeld in Form einer Spannung einer Differenz zwischen der positiven Spannung V1 und der negativen Spannung V2 der Ausgangsspannung eo über die Spule 24 gebildet werden. Die vorteilhaften Auswirkungen der vorhergehenden Ausführungsform können erhalten werden.
Nachstehend wird noch eine andere Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Wie Fig. 18 zeigt, wird die Ausgangsspannung eo über die Spule 24 einem Vergleicher 31 als einem Pegeldiskriminierkreis zugeführt. Der Vergleicher 31 besteht aus einem Operationsverstärker 32 sowie Widerständen 33 und 34. Die Spannung eo wird dem invertierenden Eingang (-) des Verstärkers 32 zugeführt. Der Widerstand 33 ist zwischen dem Ausgang und dem nichtinvertierenden Eingang (+) des 0perationsverstärkers 32 eingefügt. Der Widerstand 34 ist zwischen den nichtinvertierenden Eingang (+) und Masse geschaltet. Das Ausgangssignal des Vergleichers 31 wird einem Tiefpaßfilter 35 zugeführt und als eine Ausgangsspannung Vo abgegeben.
Bei der vorliegenden Ausführungsform auf der Basis des Impulsdauer-Modulationssystems wird die Ausgangs spannung eo über die Spule 24 dem invertierenden Eingang (-) des Verstärkers 32 zugeführt. Das Ausgangssignal Eo des Verstärkers 32 wird von den Widerständen 33 und 34 geteilt und zu dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Verstärkers 32 positiv rückgekoppelt.
Ein Verhältnis der Widerstandswerte R2 und R3 der Widerstände 33 und 34 wird so gewählt, daß es der nachstehenden Beziehung genügt:
ER = EP
= Eo x R3/(R2 + R3)
mit ER = Referenzspannung,
EP = positive Rückkopplungsspannung.
Da die Ausgangsspannung des Vergleichers 31 eine positive und eine negative Spannung ist, werden die Referenzspannungen ER und -ER gemäß den Fig. 11A oder 11C automatisch dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Verstärkers 32 zugeführt. Infolgedessen hat der Vergleicher 31 eine Hysterese-Charakteristik. Mit einer solchen Charakteristik erzeugt der Vergleicher 31 ein Ausgangssignal gemäß Fig. 11B oder 11D, wenn das externe Magnetfeld abwesend oder anwesend ist. Die Ausgangsspannung ist die impulsdauermodulierte Spannung. Die so erzeugte Ausgangsspannung wird durch das Tiefpaßfilter 35 geleitet, so daß die Ausgangsgleichspannung Vo in Abhängigkeit von einem Verhältnis (τ1/τ2) der Impulsdauern τ1 und τ2 abgeleitet werden kann. Daher kann der sehr kleine nach außen gestreute Magnetfluß durch die Ausgangs Spannung Vo gemessen werden.
Bei Verwendung der obigen Meßvorrichtung wurde eine hohe Ausgangs spannung Vo von 0 bis 600 mV oder höher bei einer sehr geringen Magnetflußdichte von 0 bis 100 G erhalten. Die Meßvorrichtung der obigen Ausführungsform zeigte eine deutliche Verbesserung der Detektierempfindlichkeit.
Die gleichen vorteilhaften Auswirkungen wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen wurden mit dieser Ausführungsform erhalten.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 20 gezeigt. Eine um einen ferromagnetischen Kern 36 gewickelte Spule 37 wird als eine zweite Spule anstelle des als eine Festimpedanzeinrichtung dienenden Widerstands 22 verwendet. Angenommen, daß die Impedanzen der Spulen 24 und 37 jeweils Zsl und Zs2 sind und die Ausgangsspannung des Oszillators 21 "e" ist, dann ist die Spannung eo über die Spule 24
eo = e Zs2/(Zs1 + Zs2).
Die Impedanzen Zsl und Zs2 dieser Spulen 24 und 37 ändern sich nach Maßgabe eines mit ihnen gekoppelten externen Magnetfelds. Daher ist die Ausgangsspannung eo einer Differenz zwischen den Stärken der mit den Spulen 24 und 37 gekoppelten Magnetfelder proportional.
Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen kann, wenn die Ausgangsspannung eo amplituden-detektiert oder impulsdauermoduliert ist, nur die Differenz der Magnetfeldstärken gemessen werden. Somit kann der sehr kleine Magnetfluß mit einer hohen Detektierempfindlichkeit von den beiden Spulen, die um die ferromagnetischen Kerne gewickelt sind, anstelle der Festimpedanzeinrichtung gemessen werden.
Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, gibt die Erfindung mit Erfolg ein Magnetfluß-Meßverfahren und eine solche Vorrichtung zur Durchführung desselben an, die für ein sehr kleines Magnetfeld hochempfindlich, gegenüber einer Temperaturänderung aber unempfindlich sind.
Die obige Technik der Verwendung des sättigungsfähigen Magnetflußsensors für das Streufluß-Rißdetektierverfahren ist insofern vorteilhaft, als die Empfindlichkeit gegenüber einem schwachen Magnetfeld ausgezeichnet ist; sie weist aber die folgenden Probleme auf.
Wenn, wie Fig. 21 zeigt, ein auf Risse zu prüfendes Stück 123 magnetisiert wird, indem ein Gleichstrom zu einer Spule 122 eines Elektromagneten 121 geschickt wird, bildet das Prüfstück einen geschlossenen Magnetkreis für ein von dem Magneten 121 erzeugtes Magnetfeld. Daher geht der Magnetfluß im wesentlichen durch das Prüfstück 123. Wenn unter dieser Bedingung eine Magnetisierungskraft (ein Magnetisierungsstrom) erhöht wird, tritt der Magnetfluß teilweise zur Außenseite des Prüfstücks 123 aus. Wenn in dem Stück 123 ein Riß 124 vorhanden ist, erhöht sich ein magnetischer Widerstand an dem Riß 124, und somit erhöht sich der Streufluß an dieser Stelle. Daher kann der Riß 124 detektiert werden durch Messen eines Magnetflusses, der aus dem Riß 124 austritt, indem ein sättigungsfähiger Magnetflußsensor 125 über dem Stück 123 in Pfeilrichtung angeordnet wird.
Es wurde eine Messung unter der Bedingung durchgeführt, daß der Sensor 125 von Fig. 21 über der Gesamtoberfläche des Stücks 123 angeordnet wurde, und ein Magnetisierungsstrom von 0 bis 7 A wurde der Spule 122 des Elektromagneten 121 zugeführt. Eine Ausgangsspannung des Magnetflußsensors wurde gemessen. Das Meßergebnis war entsprechend Fig. 22. Das Diagramm zeigt, daß die Ausgangsspannung in dem Bereich von 0 bis 2,7 A des Magnetisierungsstroms linear ansteigt, aber wenn der Magnetisierungsstrom 2,7 A fast überschreitet, ist die Ausgangs spannung gesättigt und nimmt gegenüber dem Anstieg des Magnetisierungsstroms linear ab. Infolgedessen ist der Meßbereich des Magnetflußsensors auf einen engen Bereich begrenzt. Der enge Meßbereich verschlechtert möglicherweise die Rißdetektierleistung bei der Streufluß- Rißdetektierung.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung gibt ein Magnetfluß-Meßverfahren und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung an, wobei der Meßbereich des Magnetflußsensors erweitert und die Rißdetektierleistung bei der Streufluß-Rißdetektierung unter Anwendung des sättigungsfähigen Magnetflußsensors verbessert wird.
Das Prinzip dieser Ausführungsform wird zuerst erläutert. Wenn, wie Fig. 23 zeigt, einer Spule 122 eines Elektromagneten 121 ein Gleichstrom zugeführt wird, um ein auf Risse zu prüfendes Stück 123 zu magnetisieren, tritt ein Magnetfluß teilweise aus dem Stück 123 auch dann aus, wenn das Stück 123 keinen Riß hat. Der Streufluß φ verbindet sich daher mit einem Magnetsensor 125, so daß dieser eine Ausgangsspannung erzeugt, die sich gemäß Fig. 22 nach Maßgabe des Magnetisierungsstroms ändert. Daher ist ein Magnet 126 zur Ausbildung eines lokalen Magnetfelds nahe an dem Magneten 125 angeordnet. Die Polarität des lokalen Magnetfelds ist so eingestellt, daß sie derjenigen eines Magnetfelds entgegengesetzt ist, das von der Spule 122 erzeugt wird. Die Intensität des ersteren ist gleich der des letzteren eingestellt. Unter dieser Bedingung ist die Ausgangsspannung des Magnetflußsensors 0 V. Somit kann der Meßbereich des Mangetflußsensors offenbar erweitert werden. In diesem Fall wird die Funktion des Magneten 126 durch eine Vormagnetisierungs-Gleichspannung realisiert, die einem Impulsstrom von einem Oszillator hinzuaddiert wird.
Wie Fig. 24 zeigt, wird eine von einem 0szillator 131 abgegebene hochfrequente Spannung (ein Impulsstrom) einem Addierer 132 zugeführt. Eine Gleichstromquelle 133 legt an den Addierer 132 eine Vormagnetisierungs-Gleichspannung an. Der Addierer 132 addiert die hochfrequente Spannung vom Oszillator 131 und die Vormagnetisierungs-Gleichspannung von der Gleichstromquelle 133 und führt das zusammengesetzte Signal einem Leistungsverstärker 134 zu. Das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 134 wird durch einen Widerstand 135 als Festimpedanz einer Spule 137 zugeführt, die um einen ferromagnetischen Kern 136 gewickelt ist, der einen Magnetflußsensor bildet.
Wenn bei einer solchen Anordnung ein Gleichstrom durch die Spule 137 des Magnetflußsensors fließt, wird ein magnetisches Gleichfeld H = NI (AT) erzeugt, das von der Windungszahl N der Spule abhängig ist. Es sei nun angenommen, daß die obere Seite des Magnetflußsensors auf S-Pol eingestellt ist. Ein externer Magnet 138, dessen obere Seite auf N-Pol eingestellt ist, wird in Richtung des Pfeils bewegt, so daß das Magnetfeld von dem externen Magneten 138 das Magnetfeld von der Spule 137 schneidet. Dann erfolgt eine gegenseitige Abstoßung des Magnetfelds von dem Magneten 138 und desjenigen von dem Magnetflußsensor, so daß der Magnetfluß in dem Magnetflußsensor aufgehoben wird. Die Zuführung des Gleichstroms zu der Spule 137 des Magnetflußsensors verlagert eine Hysteresekurve des Kerns 136 des Magnetflußsensors von einer Stelle, die durch eine Vollinie bezeichnet ist, zu einer Stelle gemäß einer Strichlinie, d. h. in Richtung der negativen Seite, wie Fig. 25A zeigt. Infolgedessen ändert sich die Ausgangsspannungs-Charakteristik des Magnetflußsensors von derjenigen nach Fig. 25B zu derjenigen nach Fig. 25C. Somit verlagert die Anwendung der Vormagnetisierungs-Gleichspannung die Charakteristik des Magnetflußsensors in Richtung zur negativen Seite und somit auch den Arbeitspunkt zu dieser Seite.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Wie Fig. 26 zeigt, wird von einem Oszillator 141 eine hochfrequente Spannung (ein Impulsstrom) einem Addierer 142 zugeführt. Eine Gleichstromquelle 143 führt dem Addierer 142 außerdem eine Vormagnetisierungs-Gleichspannung zu. Der Addierer 142 addiert die hochfrequente Spannung vom 0szillator 141 und die Vormagnetisierungs-Gleichspannung von der Gleichstromquelle 143 und liefert das zusammengesetzte Signal an einen Leistungsverstärker 144. Der Verstärker 144 verstärkt das zusammengesetzte Spannungssignal und führt sein Ausgangssignal einer Reihenschaltung aus einem Widerstand 145 als Festimpedanzelement und einer Spule 148 des Magnetflußsensors 146 zu, die um einen ferromagnetischen Kern 147 gewickelt ist. Eine über die Spule 148 auftretende Ausgangsspannung wird einem Positiv- und einem Negativamplitudendetektor 149 und 150 zugeführt. Die Detektorausgangssignale der Detektoren 149 und 150 werden einem Addierer 151 zugeführt, in dem sie addiert werden, um eine Ausgangsspannung Vo abzugeben. Die Detektoren 149 und 150 und der Addierer 151 bilden eine Gleichspannungskomponenten-Detektiereinrichtung.
Bei einer solchen Anordnung führt der Oszillator 141 dem Addierer 142 eine hochfrequente Spannung zu. Die Gleichstromquelle 143 führt dem Addierer außerdem eine Vormagnetisierungs-Gleichspannung zu. Der Addierer 142 addiert die hochfrequente Spannung und die Vormagnetisierungs-Gleichspannung und führt die resultierende Spannung dem Leistungsverstärker 144 zu. Der Verstärker 144 verstärkt das zusammengesetzte Spannungssignal auf geeignete Weise und liefert es durch den Widerstand 145 an den Magnetflußsensor 146.
Daher erscheint eine Ausgangsspannung eo über die Spule 148 des Magnetflußsensors 146. Die Spannung eo wird von den Detektoren 149 und 150 detektiert. Der Positivamplitudendetektor 149 erzeugt eine Gleichspannung V1, die einer positiven Spannung v1 der Ausgangsspannung eo über die Spule 148 proportional ist. Der Negativamplitudendetektor 150 erzeugt eine Gleichspannung V2, die einer positiven Spannung v2 der Ausgangs spannung eo über die Spule 148 proportional ist. Die Gleichspannungen V1 und V2 werden dem Addierer 151 zugeführt, in dem V1 + (-V2) berechnet wird, und das Additionsresultat wird als eine Ausgangsspannung Vo abgegeben.
Bei einer Messung mit dieser Meßvorrichtung wurde ein Vormagnetisierungs-Gleichstrom von der Gleichstromquelle 143 zwischen 0, 50, 100, 150 und 200 mA geändert, und die Ausgangsspannung des Magnetflußsensors 146 wurde bei diesen Magnetisierungsströmen gemessen. Die Meßergebnisse waren entsprechend Fig. 27. Wenn, wie das Diagramm zeigt, der Gleichstrom von 100 mA dem Magnetflußsensor 146 zugeführt wird, kann eine lineare Charakteristik der Ausgangsspannung des Magnetflußsensors in dem Bereich von 0 bis nahezu 4,5 A des Magnetisierungsstroms in Verbindung mit dem Gleichstrom von 0 mA erhalten werden, und somit kann ein zweifacher Meßbereich realisiert werden. Infolgedessen kann der Meßbereich erweitert werden, wodurch die Rißdetektierleistung verbessert wird. Wenn der Gleichstrom weiter über 100 mA hinaus erhöht wird, wird eine Meßzone zur Messung einer Stärke des Magnetfelds verlagert, während der Meßbereich unverändert bleibt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Gleiche Bezugszeichen werden zur Bezeichnung gleicher Teile wie bei der vorhergehenden Ausführungsform verwendet.
Wie Fig. 28 zeigt, ist eine Gleichstromquelle 143a, die eine variable Vormagnetisierungs-Ausgangsgleichspannung variieren kann, als Gleichstromquelle vorgesehen. Eine Ausgangsspannung Vo des Addierers 151 wird durch ein Tiefpaßfilter 152 einem Differenzverstärker 153 zugeführt. Der Differenzverstärker 153 vergleicht die erhaltene Ausgangs spannung mit einer Referenzspannung von einem Referenzspannungserzeuger 154 und führt die Differenzspannung der Gleichstromquelle 143a zu. Die Stromquelle 143a variiert die Vormagnetisierungs-Gleichspannung nach Maßgabe der Spannung von dem Differenzverstärker 153. Das Tiefpaßfilter 152, der Differenzverstärker 153 und der Referenzspannungserzeuger 154 bilden eine Steuereinrichtung zur Änderung der Vormagnetisierungs- Gleichspannung.
Bei einer solchen Anordnung, wie sie in Fig. 26 gezeigt ist, ändert sich auch dann, wenn beispielsweise der Magnetisierungsstrom des Elektromagneten unveränderlich ist, der Streufluß von der rißfreien Oberfläche des Prüfstück, wenn ein Kontaktzustand des Elektromagneten mit dem Prüfstück, die Dicke des Prüfstücks und dergleichen geändert werden. Die Präzision der Rißdetektierung wird verbessert, indem der Arbeitspunkt automatisch beispielsweise in der Mitte des Meßbereichs des Magnetflußsensors 146 angeordnet wird.
Bei der Anordnung von Fig. 28 wird ein Arbeitspunkt des Magnetsensors 146 durch die Ausgangsspannung des Addierers 151 detektiert. Eine Spannungsdifferenz zwischen der Ausgangsspannung und der Referenzspannung vom Referenzspannungserzeuger 154 wird durch den Differenzverstärker 153 erhalten. Die Vormagnetisierungs-Gleichspannung von der Gleichstromquelle 143a wird durch die Spannungsdifferenz so gesteuert, daß die Ausgangsspannung Vo des Addierers 151, wenn in dem Teststück kein Riß vorhanden ist, automatisch bei 0 V abgeglichen wird. Auch wenn sich daher die Meßbedingungen ändern, ist ein zufriedenstellender Meßbereich immer gewährleistet, wodurch die Rißdetektierleistung weiter verbessert wird.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, kann bei der Streuf luß-Rißdetektierung unter Anwendung des sättigungsfähigen Magnetflußsensors die vorliegende Ausführungsform den Meßbereich des Magnetflußsensors erweitern, wodurch die Riß detektierleistung verbessert wird.

Claims

1. Magnetfluß-Meßverfahren, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Zuführen eines Wechselstroms vorbestimmter Frequenz zu einer Spule (24), die um einen ferromagnetischen Kern (23) gewickelt ist, durch eine Festimpedanzeinrichtung (22), bis der ferromagnetische Kern (23) gesättigt ist, um eine Wechselspannung, die alternierende positive und negative Wellenformbereiche hat, über die Spule (24) zu erzeugen;

unabhängiges Detektieren eines positiven Wellenformbereichs und eines negativen Wellenformbereichs der Wechselspannung;

Vergleichen des detektierten positiven Wellenformbereichs mit dem detektierten negativen Wellenformbereich, um eine Gleichspannungskomponente eines Vergleichsergebnissignals zu erzeugen; und

Abgeben einer Spannung, die der Gleichspannungskomponente des Vergleichsergebnissignals entspricht, wobei die Gleichspannungskomponente dem externen Magnetfluß entspricht, der die Spule quert.

2. Magnetfluß-Meßverfahren nach Anspruch 1, wobei der Vergleichs schritt den Schritt des Addierens der detektierten positiven Wellenform und der detektierten negativen Wellenform aufweist, um eine Polarität und einen Pegel der Gleichspannung zu detektieren; und

der Abgabeschritt den Schritt des Messens eines mit der Spule gekoppelten, externen, sehr kleinen Magnetflusses in Form der detektierten Polarität und des detektierten Pegels der Gleichspannung aufweist.

3. Magnetfluß-Meßverfahren nach Anspruch 1, das ferner die folgenden Schritte aufweist:

Addieren eines Vormagnetisierungs-Gleichstroms zu dem Strom vorbestimmter Frequenz und Aufbringen des resultierenden Stroms durch die Festimpedanzeinrichtung (135) auf die Spule, die um den ferromagnetischen Kern (136) gewickelt ist.

4. Magnetfluß-Meßverfahren nach Anspruch 3, wobei der Vergleichsschritt den Schritt des Addierens der detektierten positiven Wellenform und der detektierten negativen Wellenform aufweist, um eine Polarität und einen Pegel der Gleichspannung zu detektieren; und der Abgabeschritt den Schritt des Messens eines mit der Spule gekoppelten, externen, sehr kleinen Magnetflusses in Form der detektierten Polarität und des detektierten Pegels der Gleichspannung aufweist.

5. Magnetfluß-Meßvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist:

eine Reihenschaltung aus einer Spule (24), die um einen ferromagnetischen Kern (23) gewickelt ist, und einer Festimpedanzeinrichtung (22), die mit der Spule (24) in Reihe geschaltet ist;

eine Wechselstromquelle (21), um der Spule (24) durch die Festimpedanzeinrichtung (22) einen Wechselstrom einer vorbestimmten Frequenz zuzuführen, bis der ferromagnetische Kern gesättigt ist, um eine Wechselspannung, die alternierende positive und negative Wellenformbereiche hat, über die Spule (24) zu erzeugen;

eine Einrichtungen (25, 26), um unabhängig einen Positiven Wellenformbereich und einen negativen Wellenformbereich der erzeugten Wechselspannung zu detektieren; eine Einrichtung (27), um den detektierten positiven Wellenformbereich mit dem detektierten negativen Wellenformbereich zu vergleichen, um eine Gleichspannungskomponente eines Vergleichsergebnissignals zu erzeugen; und

eine Einrichtung, um eine Spannung abzugeben, die der Gleichspannungskomponente des Vergleichsergebnissignals entspricht, wobei die Gleichspannungskomponente dem externen Magnetfluß entspricht, der die Spule (24) quert.

6. Magnetfluß-Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner aufweist: eine Vormagnetisierungs-Additionseinrichtung (133), um einen Vormagnetisierungs-Gleichstrom zu dem Strom vorbestimmter Frequenz zu addieren, der von der Stromquelle der Reihenschaltung (135, 137) zugeführt wird.

7. Magnetfluß-Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Festimpedanzeinrichtung (22) durch eine zweite Spule (37) ersetzt ist, deren Kern (26) aus ferromagnetischem Material besteht.

8. Magnetfluß-Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner aufweist: eine Steuereinrichtung (152, 153, 154), um die von der Vergleichseinrichtung (27) detektierte Gleichspannungskomponente mit einer vorgegebenen Referenzspannung zu vergleichen und um den Vormagnetisierungs-Gleichstrom, der von der Additionseinrichtung (133) zu dem Strom addiert wird, nach Maßgabe einer Differenzspannung als dem Vergleichsergebnis zu steuern.

9. Magnetfluß-Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom vorbestimmter Frequenz ein Impulswellenstrom, ein Dreieckwellenstrom oder ein Sinuswellenstrom ist.

10. Magnetfluß-Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner aufweist: eine Pegeldiskriminierungsschaltung (28, 29) mit einer solchen Hysteresekennlinie, daß, wenn eine über die Spule erzeugte Spannungswellenform eine vorgegebene positive Referenzspannung erreicht, die Diskriminierungsschaltung (28, 29) ein Spannungssignal mit einem hohen Pegel erzeugt und, wenn die Spannungswellenform eine vorgegebene negative Referenzspannung erreicht, die Diskriminierungsschaltung (28, 29) ein Spannungssignal mit einem niedrigen Pegel erzeugt.

11. Magnetfluß-Meßvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Festimpedanzeinrichtung (22) durch eine zweite Spule (37) ersetzt ist, deren Kern (36) aus ferromagnetischem Material besteht.

12. Magnetfluß-Meßvorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Strom vorbestimmter Frequenz ein Impulswellenstrom, ein Dreieckwellenstrom oder ein Sinuswellenstrom ist.

13. Magnetfluß-Meßvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der ferromagnetische Kern (23) eine gerade stabartige Gestalt hat.

14. Magnetfluß-Meßvorrichtung nach Anspruch 5, wobei eine Messung des Magnetflusses in Form eines Pegels einer Gleichspannungskomponente eines von der Vergleichs-einrichtung (27) abgegebenen Vergleichsergebnissignals erfolgt.

15. Magnetfluß-Meßvorrichtung nach Anspruch 10, wobei eine Messung des Magnetflusses in Form einer Impulsdauer eines von der Pegeldiskriminierungsschaltung (28, 29) abgegebenen Spannungssignals erfolgt.