-
Anordnung zur magnetischen Messung der Wandstärke
Es sind Anordnungen
bekanntgeworden, bei denen die Wandstärke, z. B. von Stahlrohren, auf magnetischem
Wege bestimmt wird. Bei diesen Anordnungen wird ein hufeisenförmiger Magnet, der
mit Gleichstrom erregt wird, auf die Rohrol)erfläche gesetzt. Der entstehende magnetische
Fluß dient als Maß für die Wandstärke. Es wird ballistisch mit Hilfe einer zweiten
Spule des Magneten, in der beim Kommutieren des Erregerstroms ein Spannungsstoß
induziert wird, gemessen.
-
Die l>eschriel'ene Methode eignet sich sehr gut zur Wandstärkel>estimmung,
wenn die Wandstärke keine zu starken Schwankungen unter den Polen und in der Nachlarschaft
der Pole aufweist. Häufig will man mit der Methode aber gerade Korrosionen innerhalb
des Rohres nachweisen die eine örtlich geringe Ausdehnung haben.
-
Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß dadurch behol>en, daß man
einen der l>eiden Pole des Magneten an seiner Berührungsstelle mit dem Werkstück
einen wesentlich größeren Umfang gibt als dem anderen Pol. Die Flußdichte im auszumessenden
Werkstück wird dann in der Nachbarschaft und unter dem Pol mit größerem Umfang so
niedrig, daß die Wandstärke im Bereich dieses Poles praktisch ohne Einfluß auf das
Meßergebnis bleibt und nur die Wandstärke im Bereich des anderen Poles das Meßergebnis
beeinflußt. Die Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispiels (Abb. I) erläutert
werden.
-
Auf die Oberfläche des zu messenden Werkstückes I wird der Magnet
aufgesetzt, dieser besteht aus ,dem Joch 2, den Polen 3 und 4, der Erregerspule
5 und der induzierten Meßspule 6, in der beim Kommutieren des Erregerstromes der
zu messende Spannungsstoß induziert wird. Der Umfang des Poles 3 ist an der Berührungsstelle
mit dem Werkstück viel größer als derjenige des
Poles 4. Da die
Flußdichte im. Werkstück im Bereich des Poles 3 viel geringer ist als die Flußdichte
im Bereich des Poles 4, hängt das Meßergebnis praktisch nur von der Wandstärke im
Bereich des Poles 4 ab. Das gilt besonders dann, wenn die Erregeramperewindungszahl
hoch gewählt wird.
-
Durch die Verjüngung des Poles 4 kann man eine hohe Flußdichte an
der Eintrittsstelle des Flusses in das Werkstück erzielen. Dadurch kann man den
Querschnitt dieses Poles an seiner Berührungsstelle mit demWerkstück klein halten,
wodurch wiederum die Feststellung von Wandstärkeänderungen in kleinen Zonen begünstigt
wird.
-
Nach der weiteren Ausbildung der Erfindung wird der Magnet als Topfmagnet
ausgeführt. Das hat den weiteren Vorteil, daß Eisenteile in der Nähe des Magneten,
z. B. Werkzeuge oder Vorsprünge des Werkstückes; das Meßergebnis nicht störend beeinflussen
können.
-
Abb. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines solchen Magneten. Der
Topfmagnet besteht aus den beiden Drehteilen 7 und 8. Die Spulen 5 und 6 sind in
dem Spulengehäuse 9 aus Isolierstoff eingebettet.
-
Der von der Meßspule 6 umschlossene Pol liegt nicht direkt auf dem
Werkstück auf, sondern es ist ein kleiner Luftspalt vorgesehen. Dieser bewirkt,
daß ein durch Unebenheit der Oberfläche des Werkstückes hervorgerufener Luftspalt
das Meßergebnis weniger beeinflußt. Das Spulengehäuse g verhindert gleichzeitig
beim Messen von Material geringer Wandstärke eine Durchbiegung des Materials durch
magnetische Anziehung.
-
Besondere Vorteile bietet der Topfmagnet beim.
-
Messen von Stahlbändern. Verwendet man bei Stahlbändern zum Messen
einen Hufeisenmagneten, so ist das Meßergebnis, vor allem bei schmalen Bändern,
von der Bandbreite abhängig. Beim Topfmagneten ist der Einfluß der Bandbreite ausgeschaltet,
solange das Band nicht nennenswert schmaler ist als der Topfmagnet. Um die Wandstärke
noch schmalerer Bänder messen zu können, wird erfindungsgemäß das Blech zwischen
zwei Topfmagneten gelegt, wie es Abb. 3 zeigt. Die Erregerspulen müssen dabei im
umgekehrten Sinne vom Strom durchflossen werden. Die beiden Meßspulen werden so
in Reihe geschaltet, daß sich ihre elektromotorischen Kräfte addieren. Jeder Topfmagnet
braucht nur für die Hälfte der zu messenden Wandstärke bemessen zu werden, so daß
sein Außendurchmesser, und damit die Breite des Bandes, dessen Dicke noch einwandfrei
gemessen werden kann, kleiner wird.
-
Die weitereAusbi1dung ider Erfindung betrifft die elektrische Meßmethode.
Der bekannten Meßmethode haftet der Nachteil an, daß in der Meßspule auch dann eine
Spannung induziert wird, wenn die zu messende Wandstärke Null ist. Dadurch wird
die Messung sehr dünner Wandstärken ungenau Dieser Nachteil wird erflndungsgemiiß
dadurch behoben, daß in Reihe mit der Erregerspule die Primärwicklung eines Transformators
geschaltet wird, in dessen Sekundärspule beim Kommutieren des Erregerstromes ein
Spannungsstoß induziert wird, der genau so groß ist wie der in der Meßspule bei
der Wandstärke Null erzeugte Spannungsstoß. Die Meßspule und die Sekundärspule des
Transformators werden gegeneinander geschaltet, so daß das ballistische Instrument
bei der Wandstärke Null nicht aussehlägt. Der Eisenkern des Transformators erhält
zweckmäßig einen Luftspalt, damit die Kompensation der Meßspulenspannung von der
Höhe des Erregerstromes unabhängig wird.
-
In manchen Fällen kommt es nicht darauf an, den Absolutwert der Wandstärke
sondern Änderungen der Wandstärke festzustellen. Erfindungsgemäß verwendet man in
diesem Fall zwei völlig gleichartige Magneten, die auf die Oberfläche des zu untersuchenden
Werkstückes an den Stellen aufgesetzt werden, zwischen denen die Wandstärkedifferenz
festgestellt werden soll. Der Erregerstrom der beiden Erregerspulen wird zur gleichen
Zeit kommutiert. Zu diesem Zweck werden die Erregerspulen zweckmäßig in Reihe geschaltet.
Die Meßspulen werden gegeneinander geschaltet, so daß sich die Spannungsstöße bei
gleicher Wandstärke aufheben. Bei ungleicher Wandstärke verbleibt ein restlicher
Spannungsstoß, der der Differenz der Wandstärken verhältnisgleich ist. Der Ausschlag
des Instrumentes ist also ein Maß für die Differenz der beiden Wandstärken.
-
Statt den zweiten Magneten auf das Werkstück aufzusetzen, kann man
ihn auch auf ein Vergleichsstück aufsetzen, das möglichst aus gleichem Material
wie das Werkstück besteht und die erwartet oder verlangteWandstärke desWerkstückes
besitzt. Dieses Verfahren ist vor allem für das Messen von Blechen und Bändern vorteilhaft,
besonders dann, wenn die Messungen der Fabrikationsüberwachung dienen. Das Vergleichsstück
kann auch veränderliche Wandstärke besitzen, also z. B. als Keil ausgeführt sein.
Dann kann man den Magnettopf so lange auf diesem Werkstück verschieben, lbisRder
Instruinentenaus;schlag Null wird.
-
Die Wandstärke des Werkstückes ist dann gleich der Wandstärke des
Keiles an der Stelle, wo der Magnet aufsitzt. Dieses Verfahren lhat den Vorteil
besonders hoher Genauigkeit.
-
Ein weiterer Nachteil der beschriebenen Me thode ist die ballistische
Messung, die zeitraubend ist und geschultes Personal erfordert. Besonders für die
Werkstatt ist sie wenig geeignet. Für kontinuierliche Messungen, z. B. der Wandstärke
von Bändern während des Walzvorganges, ist sie völlig ungeeignet. Bei Erregung des
Magneten mit Wechselstrom erhält man in der Meßspule eine Wechselspannung. Der Effektivwert
dieser Wechselspannung hängt nun aher nicht allein vom Maximalwert des Flusses im
zu messenden Werkstück, sondern auch von der Form der Magnetisierungskennlinie ab.
Die Form der Magnetisierungskennlinie ist aber sehr oft innerhalb ein und desselben
Werkstückes örtlich verschieden, so daß der Effektivwert nur einen ungenauen Rückschluß
auf die Größe der Wandstärke zuläßt. Der Maximalwert des Flusses, vor allem hei
hoher Erregung des
l opfmagnetell, weist iniierhall> ein und
desselben Werkstückes kaum Schwankungen auf und ändert sich bei den verschiedenen
Eisensorten viel weniger als die Gestalt der WIagnetisierungskennlinie. Deswegen
wird erfindungsgemäß der arithmetische Mittelwert der Wcchselspannung z. B. mittels
eines Gleichrichters und Drehspulinstrumentes gemessen.
-
Die Verwendung eines Sperrschichtgleichrichters hat vor allem bei
Messungen kleiner Spannungen den Nachteil, daß infolge der unvollkommenen Gleichrichtung
nicht genau der arithmetische Mittelwert gemessen wird. Besonders unangenehm macht
sich das bemerkbar bei Messung der Differenzwandstärke mit Hilfe von zwei Magneten
und bei der Nullmethode, weil kleine Spannungen überhaupt nicht gleichgerichtet
werden und daher nicht angezeigt werden, und weil das Instrument immer nur nach
ein und derselhen Seite ausschlägt, gleichgültig ol) die zu messende Wandstärke
größer oder kleiner ist als die Vergleichswandstärke. Diese Nachteile werden behoben,
wenn man als Gleichrichter einen von der Erregerspannung oder von dem Erregerstrom
des Topfmagneten gesteuerten Kontaktgleichrichter verwendet.
-
Kontaktgleichrichter hahen den Nachteil, daß sie dem Verschleiß unterworfen
sind. Das ist besonders bei Dauerbetrieb unangenehm. Nach der weiteren Ausbildung
der Erfindung wird deshalb die Wandstärkemessung mit Hilfe eines Wattmeters vorgenommen.
Eine der Wattmeterspulen, vorzugsweise die Drehspule des Wattmeters, wird dabei
an die Meßspule des Magneten angeschlossen, während die zweite Spule des Wattmeters
direkt aus dem Netz mit einem konstanten Strom gespeist wird, der mit dem Strom
der Erregerspule wenigstens nahezu phasengleich ist. Die Mittel zur Erzielung der
gewünschten Phasenlage der beiden Ströme sind bekannt, so daß auf ihre Beschreibung
verzichtet werden kann. Gegenüber der üblichen Wechselstrommessung, bei der beide
Spulen des elektrodynamisches Instrumentes vom zu messenden Strom durchflossen werden,
erzielt man eine größere Empfindlichkeit, weil die vom Netz gespeiste Spule hoch
erregt werden kann. Außerdem ist der Ausschlag des Instrumentes weniger von der
Kurvenform des Meßspulenstromes abhängig, weil wenigstens einer der beiden Wattmeterströme
gleichbleibende sinusförmige Kurvenform hat. Um eine weitergehende Unabhängigkeit
von der Kurvenform des Stromes der Meßspule zu erzielen, wird erfindungsgemäß die
vom Netz erregte Spule mit einem Strom gespeist, dessen Kurvenform möglichst rechteckigen
Verlauf aufweist. Auf diese Weise wird wie beim Drehspulinstrument der arithmetische
Mittelwert des Meßspulenstromes gemessen, der, wie bereits gezeigt, für dieWandstärkemessung
geeigneter ist als der Effektivwert. Zur Erreichung der rechteckigen Kurvenform
kann z. B. die vom Netz gespeiste Wattmeterspule über einen hoch gesättigten Transformator,
dessen Bleche möglichst recheckige Magnetisierungsschleifen besitzen, und eine vorgeschaltete
Induktivität gespeist werden.
-
Statt dessen oder zusätzlich kann man auch bei einem eisengeschlossenen
Wattmeter den Querschnitt des Eisenpfades so klein und den Strom der vom Netz erregten
Spule so hoch wählen, daß Eisensättigung des Wattmeters eintritt. Dadurch erzielt
man eine rechteckförmige Gestalt des zeitlichen Verlaufs des Flusses, vor allem
dann, wenn das Eisen eine rechteckförmige Magnetisierungsschleife besitzt. Bei Verwendung
eines derartigen Wattmeters kann man bei genügender Leistung der Meßspule des Magneten
auch bei Reihenschaltung der beiden Wattmeterspulen, entsprechend der üblichen Schaltung
eines elektrodynamischen Spannungs- oder Strommessers, den arithmetischen Mittelwert
der Meßspulenspannung bzw. des Meßspulenstromes messen.
-
Die beschriebenen Verfahren zur Messung des arithmetischen Mittelwertes
eines Wechselstromes oder einer Wechselspannung können auch für andere meßtechnische
Aufgaben als die der Wandstärkemessung von Bedeutung sein.
-
Bei Erregung des Magneten mit Wechselstrom macht sich bei größeren
Wandstärken der Einfluß der Wirbelströme im magnetischen Werkstück störend hemerkbar.
Erfindungsgemäß wird in diesem Fall der Magnet mit einer niedrigeren Frequenz als
der üblichen Netzfrequenz über einenFrequenzwandler erregt. Bei besonders geringen
Wandstärken, unter etwa 0,5 mm, ist die Leistung der Meßspule unangenehm klein.
Dann wird erfindungsgemäß der Magnet mit einer höheren Frequenz als der Xetzfrequenz
erregt. Besondere Vorteile bietet die Erhöhung der Frequenz beim kontinuierlichen
Messen der Dicke von Bändern beim Walzvorgang, weil dann die im Band zurückbleibende,
durch die Messung verursachte Magnetisierung geringer wird.
-
Wenn mit ein und demselben Magneten sehr unterschiedliche Wandstärken
gemessen werden sollen, muß die Frequenz verändert werden können.
-
Am besten arbeitet man in diesem Fall mit zwei oder mehr festen Frequenzen,
deren Verhältnis zueinander so gewählt wird, daß sich die Teilstriche des Instrumentes
hequem in Wandstärke umrechnen lassen. Das bedeutet, daß die Ausschläge bei gegebener
Wandstärke bei den verschiedenen Frequenz betätigtenUmschalter, z. B. über einen
von einem Motor angetriebenen rotierenden Kontakt-Die Verwendung eines Frequenzwandlers
ist recht kostspielig. Deshalb wird nach der weiteren Ausbildung der Erfindung die
Erregerspule von einer Gleichstromquelle über einen mit gewunschter Frequenz betätigten
Umschalter, z. B. über einen von einem Motor angetriebenen rotierenden Kontaktapparat,
gespeist. Dabei können die bekannten Mittel zur Funkenverminderung angewandt werden.
-
Außerdem kann erfindungsgemäß der Kontaktgleichrichter für den Meßspulenstrom
gemeinsam mit dem Umschalter betätigt werden.
-
Abschließend sei noch erwähnt, daß die Erfindung nicht nur auf die
Messung der Wandstärke magnetischen Materials angewandt werden kann, sondern daß
bei Erregung des Magneten mit Wechselstrom auch die Wandstärke unmagnetischer
Metalle
gemessen werden kann. Die Ursache hierfür liegt darin, daß infolge der Wirbelströme
im Metall der Fluß des Magneten geschwächt wird, wodurch eine Verminderung der in
der Meßspule induzierten Spannung bewirkt wird. Bei gleicher Wandstärke muß man
allerdings, wenn eine ausreichende Wirkung erzielt werden soll, die Erregerfrequenz
viel höher wählen als bei der Messung magnetischer Werkstoffe.