EP3066460A1 - Wirbelstromsonde und wirbelstrom-prüfgerät - Google Patents

Wirbelstromsonde und wirbelstrom-prüfgerät

Info

Publication number
EP3066460A1
EP3066460A1 EP14792439.3A EP14792439A EP3066460A1 EP 3066460 A1 EP3066460 A1 EP 3066460A1 EP 14792439 A EP14792439 A EP 14792439A EP 3066460 A1 EP3066460 A1 EP 3066460A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
receiver
receiver coil
eddy current
excitation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14792439.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Timur KUDYAKOV
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Magnetische Pruefanlagen GmbH
Original Assignee
Magnetische Pruefanlagen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Magnetische Pruefanlagen GmbH filed Critical Magnetische Pruefanlagen GmbH
Publication of EP3066460A1 publication Critical patent/EP3066460A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
    • G01N27/90—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
    • G01N27/9013—Arrangements for scanning

Definitions

  • the invention relates to an eddy current probe according to the preamble of claim 1 and to an eddy current testing device having at least one such eddy current probe.
  • NDT non-destructive testing
  • eddy current testing has been proven in many applications, such as automated nondestructive testing of semi-finished products for the metalworking and metalworking industries, for testing safety-critical and mission-critical components for land - and aircraft or in plant construction.
  • the sensor systems used for the eddy current testing are commonly referred to as "eddy current probes”.
  • an eddy current probe is arranged at a small distance (test distance) to a surface of a test specimen to be tested, which consists at least in the region of the surface of an electrically conductive material.
  • test distance a small distance
  • a relative movement between the test specimen and the eddy current probe is generated for the test, for example by the eddy current probe passing over the area of the surface to be tested.
  • a generic eddy current probe has a excitation arrangement with at least one electrical conductor, which is provided for connection to an AC voltage source, and a receiver arrangement with at least one separate from the exciter assembly receiver coil having one or more turns.
  • the electrical conductor of the exciter assembly forms at least one coil, which is referred to as exciter coil or field coil.
  • a receiver coil is often referred to as a measuring coil.
  • the excitation coil is connected to an AC voltage source for the purpose of the test and can then generate a primary electromagnetic alternating field (primary magnetic field) which penetrates into the test material during the test and essentially generates eddy currents in a near-surface layer of the test material by mutual induction the receiver coil (s) of the eddy current probe act back.
  • the secondary magnetic field (secondary magnetic field) caused by the eddy currents is opposite to the primary magnetic field according to Lenz's rule.
  • a defect in the tested area such as a crack, contamination or other material inhomogeneity, disturbs the Spreading of the eddy currents in the test material and thus changes the eddy current intensity and thereby also the intensity of the magnetic field applied to the receiver coil secondary.
  • the resulting changes in the electrical properties of a receiver coil for example, in particular the impedance of the receiver coil, lead to electrical measurement signals that can be evaluated by means of an evaluation device to identify and characterize defects.
  • Eddy current probes in which the excitation coil and the receiver coil are formed by the same coil are referred to as parametric eddy current probes.
  • Eddy current probes having an excitation coil and a receiver coil separate therefrom, with coupling between the exciter coil and the receiver coil mediated over the specimen material are referred to as transformer eddy current probes.
  • the present application relates to a transformer eddy current probe.
  • the exciter coil and the receiver coil normally have coil axes parallel to each other, so that the primary alternating magnetic field of the exciter coil induces an AC voltage in the receiver coil.
  • the voltage or voltage curve in the receiver coil changes when the eddy current probe is brought into the vicinity of an electrically conductive specimen. These changes are evaluated for measurement purposes.
  • An absolute coil has one or more coils running in the same direction, which are penetrated by the primary and the secondary magnetic field.
  • the strength of the measuring signal depends strongly on the electrical conductivity of the specimen material, on the distance between the receiver coil and the specimen surface ("distance effect” or “lift-off effect”), on the inclination of the receiver coil with respect to the specimen surface ("tilt effect” or “inclination effect”).
  • the distance effect is expressed by the fact that the signal amplitude of the measuring signal drops sharply as the distance to the test object surface increases.
  • the eddy current probe is slightly tilted or tilted in relation to the specimen surface during measured value recording, then this has an effect
  • the edge of a test object ie the transition to air or a material with a different electrical conductivity, affects the measurement signal even at a relatively large edge distance (lateral distance between the measuring position and the edge) - about that absolute coils can be made with small dimensions, so that high spatial resolution can be achieved.
  • a typical variant of a differential coil has two identically dimensioned, subtractively connected partial coils, wherein each partial coil has one or more windings running in the same direction and the turns of the partial coils run in opposite directions to one another. If the partial coils are penetrated by the primary and the secondary magnetic field, the measuring signal represents the difference between the voltages induced in the partial coils.
  • a differential coil In contrast to absolute coils, in each case no signal voltage is generated in air and via "healthy", ie homogeneous, defect-free material, since identical conditions and thus identical induced voltages are present below the partial coils, so that the differential voltage is zero
  • a differential coil In contrast to the absolute coil, a differential coil generally has a higher dynamic range and can therefore detect defects such as cracks very sensitively
  • the sensitivity of a differential coil decreases with increasing test distance, despite the smaller distance dependence of the signal amplitude.
  • the edge effect is usually greater with differential coils than with absolute coils nzip employment larger sizes, so that the achievable spatial resolution is lower than absolute coils.
  • the eddy current probe should allow material testing with high spatial resolution and sensitivity and be relatively insensitive to variations in the test distance. Furthermore, a good localization of defects should be achieved.
  • the invention provides an eddy current probe having the features of claim 1.
  • Advantageous developments are specified in the dependent claims. The wording of all claims is incorporated herein by reference.
  • a particular arrangement of conductor sections of the excitation section (one or more conductor sections) with respect to the (at least one) receiver coil ensures that the receiver coil in relation to the excitation section or on those conductor sections which form the excitation section is arranged in such a way "magnetically symmetrical" that the primary magnetic field generated by the excitation section passes though the receiver coil, but in the receiver coil, no total voltage is induced when If the receiver coil is in air or at the correct test distance without tilting or the like against a healthy, defect-free specimen material, there are components of the field lines of the primary field running obliquely to the coil plane, but they pass through the receiver coil in different directions and with different signs Defects in the specimen material disturb this symmetry and then lead to measuring voltages which can be evaluated If no measurement voltage is generated, the evaluation can be carried out with high sensitivity in order to be able to evaluate deviations from the reference state (no electrical voltage at the output of the receiver arrangement) precisely with respect to amplitude
  • a receiver coil defines a receiver coil axis and a receiver coil plane oriented perpendicular to the receiver coil axis, and a plane of symmetry oriented perpendicular to the receiver coil plane, and the conductor section or sections of the exciter section are symmetrical about the plane of symmetry parallel to the receiver coil plane.
  • the plane of symmetry can divide the coil surface of a receiver coil into two partial surfaces, which are chosen so that a magnetic flux change of the primary field through one of the partial surfaces is equal to the flux change of the primary field through the other of the partial surfaces, resulting in the mentioned magnetic flux compensation. If the conductor sections are then flowed through by the exciter current in the same way, the desired magnetic symmetry automatically results due to the geometric symmetry.
  • the excitation arrangement has a rectilinear excitation section, in which run a straight line section or a plurality of rectilinear conductor sections parallel to one another.
  • the rectilinear conductor sections can, for example, by straight Be formed sections of rectangular coils.
  • the excitation section has one or more curved conductor sections, which are formed for example by sections of rounded coil turns.
  • a receiver coil may e.g. have an approximately rectangular, possibly square coil shape with straight conductor sections or a rounded coil shape without straight conductor sections, e.g. a circular coil shape.
  • Particularly advantageous embodiments are those in which the excitation section runs perpendicular to the receiver coil axis centrally diagonally across the receiver coil. It can thereby be achieved that the magnetic field strength generated by the exciter section is particularly high at the location of the receiver coil, so that strong eddy currents can be generated in the test object when the eddy current probe is brought into the vicinity of the test object surface. However, it is also possible that some or all of the conductor sections of the excitation section lie outside the coil surface defined by the windings of the receiver coil.
  • conductor sections of the excitation section may be arranged symmetrically to a plane of symmetry of the receiver coil on diametrically opposite sides each outside the receiver coil in such a way that the components of the primary alternating magnetic field generated by the outer conductor sections in the region of the receiver coil in the manner described above compensate magnetically.
  • the coil surface itself may be free of conductor sections of the exciter arrangement.
  • the excitation arrangement comprises a first exciter coil with one or more first windings and a second exciter coil with one or a plurality of second windings, that the turns of the first and the second excitation coil are arranged mirror-symmetrically to the plane of symmetry of the receiver coil and that when connected to the AC voltage source, these windings are electrically mirror-symmetrical.
  • the arrangement may be made such that the first exciting coil has an inner conductor portion facing the second exciting coil and an outer conductor portion spaced away from the second exciting coil, and the second exciting coil has an inner conductor portion facing the first exciting coil and one remote from the first exciting coil outer conductor section, wherein the inner conductor sections form the excitation section and when connecting the excitation arrangement to the AC Selwoodslude be traversed in the same direction of current and the outer conductor sections in the same direction with each other and in opposite directions to the inner conductor sections of current to be traversed.
  • an eddy current probe may have a single receiver coil.
  • an eddy current probe with an array arrangement comprising a plurality of receiver coils in a suitable arrangement, for example two, three, four, five, six or more receiver coils. For each of the receiver coils, the condition of the magnetic field compensation can be fulfilled, so that advantages of the claimed invention can also be realized with array probes.
  • the receiver assembly has at least one rectilinear receiver coil row having two or more receiver coils arranged to provide the described magnetic field compensation.
  • receiver coils of the receiver coil series are electrically in series so that the receiver coil row as a whole generates a summation signal resulting from the addition of voltages or voltage components induced in the individual receiver coils, thereby making it possible, among other things, to test larger areas with higher error resolution ,
  • the invention also relates to an eddy current testing device having at least one eddy current probe according to the claimed invention.
  • the eddy current testing device has a supply and evaluation unit, which has an AC voltage source and an evaluation device.
  • the exciter arrangement of an eddy current probe is connected to the AC voltage source in order to be able to generate a primary alternating magnetic field during test operation.
  • the receiver arrangement of the eddy current probe is connected to the evaluation device, which is configured to process electrical measurement signals occurring at the receiver arrangement.
  • the exciter assembly is associated with two or more receiver coils that form a coil array, such as a rectilinear receiver coil row.
  • each of the receiver coils is connected to a channel of a receiver coil connection means configured to receive output signals of the individual receiver coils in separate channels and to supply them to the evaluation means.
  • the evaluation device is configured so that it can be operated in an evaluation mode, which determines a sum signal by adding output signals from at least two receiver coils by means of an adding operation. Although it is possible for output signals to be added only from a selected subset of receiver coils, it is preferable to synchronously add the output signals of all the receiver coils of a receiver coil array in the add mode.
  • the evaluation device is alternatively or additionally configured to process the output signals of each one of the receiver coils separately in an evaluation mode and to assign them to the position of the respective receiver coil in a receiver coil array. This makes it possible to locate defects over the test width of a sensor array.
  • FIG. 1 shows schematically an eddy current testing device according to an embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows a schematic vertical section through the eddy current probe of the eddy current testing apparatus of Fig. 1;
  • FIG. 3 shows an exciter coil of a conventional eddy current probe in operation at a distance to the surface of a test object
  • Fig. 4 shows the exciter coil of Fig. 3 in Fig. 4A in combination with an absolute coil and in Fig. 4C in combination with a differential coil arrangement, each with measurement signals in Figs. 4B and 4D, respectively;
  • Fig. 5 shows schematically an eddy current probe according to an embodiment of the invention in the vicinity of the surface of a test specimen
  • Fig. 6 schematically illustrates the magnetic flux compensation of the primary field in the receiver coil of Fig. 5;
  • FIG. 7 shows an eddy-current probe with a variant of the arrangement from FIG. 5, wherein conductor sections through which flow in opposite directions are arranged on both sides of the exciter section;
  • FIG. 8 shows the eddy current probe from FIG. 7 when passing over a defect as well as a part of an associated measurement signal;
  • FIG. 8 shows the eddy current probe from FIG. 7 when passing over a defect as well as a part of an associated measurement signal;
  • Fig. 9 shows an embodiment of an array eddy current probe having four receiver coils arranged in a straight row
  • FIG. 1 an eddy current tester 200 according to an embodiment of the invention is shown schematically.
  • the eddy current testing device has an eddy current probe 100, which is electrically connected via electrical connection lines to a supply and evaluation unit 190.
  • the eddy current probe 100 includes an exciter assembly 1 10 having a plurality of electrical conductors, which are connected via connecting elements to an AC voltage source 120 of the supply and evaluation unit.
  • the eddy current probe has a receiver arrangement 130 with a receiver coil 140, which is electrically isolated from the exciter arrangement and has one or more windings, which are connected via connection lines to an evaluation device 180 of the supply and evaluation unit 190.
  • FIG. 2 shows a schematic vertical section through the eddy current probe of the eddy current testing device from FIG. 1.
  • the eddy current probe 100 is manufactured as a multilayer eddy current probe using printed circuit board technology.
  • the receiver coil 140 is a pancake having windings in a common plane (receiver coil plane 142) defining a receiver coil axis 144 that is perpendicular to the receiver coil plane.
  • the windings of the receiver coil are applied to a surface of an electrically insulating carrier layer 170.
  • the electrical conductors of the exciter arrangement are also applied to a surface of an electrically insulating carrier layer (the same carrier layer 170 or another carrier layer) in such a way that at least one electrically insulating carrier layer lies between these electrical conductors and the windings of the receiver coil, so that these are electrically isolated from each other.
  • the electrical conductors of the exciter assembly 1 10 form a first exciter coil 1 10-1 and a second exciter coil 1 10-2, each of which may have one or more turns and are each formed as flat coils with coil planes parallel to the receiver coil plane.
  • the turns of the first and second excitation coils are arranged mirror-symmetrically to a plane of symmetry 145 which runs centrally through the receiver coil and contains the receiver coil axis 144.
  • the first exciter coil 1 10-1 has a straight inner conductor section 1A facing the second excitation coil 1 10-2 and an outer conductor section 1 10-1 B arranged at a greater distance from the symmetry plane away from the second exciter coil and parallel to the inner conductor section 1 10-1 A is going. Accordingly, the second exciting coil 1 has 10-2 a straight inner conductor portion 1 10-2A in the vicinity of the first exciting coil, and a away from the first exciter coil arranged straight outer conductor portion 1 10-2B, which is parallel to the inner conductor portion 1 10-2A.
  • the two When connected to the AC voltage source 120, the two arranged symmetrically to the plane of symmetry 145, located close to each other and centrally extending transversely over the receiver coil away inner conductor sections 1 10-1 A and 1 10-2B in the same direction from the excitation current through, while the farther outside outer conductor sections 1 10- 1 B and 1 10-2B respectively in opposite directions to the inner conductor sections, but in the same direction with each other and that is in the same direction, be traversed by the stream.
  • the rectangular excitation coils thus lie mirror-symmetrically to the plane of symmetry 145 and are also electrically operated mirror-symmetrically to this plane of symmetry.
  • the inner conductor sections 1 10-1 A and 1 10-2A together form the rectilinear exciter section 15 of the exciter arrangement.
  • the exciter section 15 runs perpendicularly to the receiver coil axis in the middle diagonally across the receiver coil 140.
  • the inner conductor sections are traversed by alternating current when connected to the AC voltage source 120 and together generate a primary alternating magnetic field PF whose field lines FL extend around the exciter section 15 (see Fig. 2).
  • the receiver coil 140 is arranged "magnetically symmetrical" with respect to the excitation section 15 in such a way that the receiver coil is passed through by the primary alternating magnetic field PF of the exciter section, but the receiver coil is penetrated symmetrically by the primary alternating magnetic field such that a temporal
  • the primary magnetic field passes through the receiver coil, it does not induce any electrical voltage in this receiver coil, as a result of which the change in the magnetic field ⁇ of the primary alternating magnetic field through the receiver coil as a whole completely disappears
  • the plane of symmetry 145 of the receiver coil 140 is such that the receiver coil is divided into two magnetically equivalent sub-areas 146-1 and 146-2, the magnetis
  • the flow change through one of the partial surfaces is the same as the change in flux through the other partial surface, so that the changes in the magnetic fluxes are compensated. If ⁇ - ⁇ is the magnetic flux through the first partial area 146-1 and ⁇ 2 is the magnetic flux through the second partial area 146-2, then the condition applies to
  • FIG. 3 shows an excitation coil 310 of a conventional eddy current probe in operation at a distance from the surface 382 of an electrically conductive specimen 380.
  • the exciter coil is typically oriented towards the specimen surface such that the exciter coil axis 312 is oriented as perpendicular as possible to the specimen surface.
  • the excitation coil generates a primary alternating magnetic field PF, which induces eddy currents EC in the conductive specimen material. Due to the frequency-dependent skin effect, the magnetic field strength decreases exponentially with the penetration depth of the primary field. With this arrangement, the density of magnetic field lines in the test volume V in the vicinity of the coil axis 312 sharply decreases with increasing penetration depth.
  • FIG. 4A shows the excitation coil 310 in combination with an absolute coil ABS.
  • the alternating magnetic field generated by the exciting coil induces a measuring voltage in the absolute coil.
  • the voltage changes in the presence of an electrically conductive material and defects in the material can be analyzed.
  • the strength of the measurement signal depends strongly on the test distance A between the receiver coil and the sample surface and the conductivity of the sample material.
  • the measuring voltages are sensitive to tilting of the eddy current probe (tilting effect). Reliable readings can only be obtained from areas that have a sufficient lateral distance B (edge distance) from the edge of the sample, otherwise a disadvantageous edge effect occurs.
  • Advantages of absolute coils are i.a.
  • FIG. 4B schematically shows a typical measurement signal of a conventional absolute coil when driving over an electrically conductive test object.
  • a constant finite measurement voltage V1 is induced by the primary field in the absorption coil. This measuring voltage changes in the vicinity of the test object and shows characteristic changes when passing over defects.
  • the exciter coil 310 is shown in combination with a receiver coil assembly DIFF in differential circuit.
  • the receiver coil assembly has a first receiver coil S1 and an opposite direction to this wound second receiver coil S2 with otherwise identical electrical properties.
  • the coils are arranged symmetrically with respect to the excitation coil 310, so that the primary alternating field of the excitation coil induces a voltage in both the first coil S1 and in the second coil S2.
  • a defect in the specimen disturbs the symmetry and leads to a measuring signal different from 0.
  • tight manufacturing tolerances must be complied with.
  • differential coils Even with differential coils, the sensitivity depends on the test distance.
  • a disadvantage of differential coil arrangements is, inter alia, their minimum size due to the design, so that the spatial resolution is limited.
  • the determination of defect lengths is more difficult than with absolute probes.
  • the edge effect affects the measurement results with differential coils more than with absolute coils.
  • 4D shows a typical measurement signal of a differential coil arrangement when driving over an electrically conductive test object. Corresponding signal forms also result when passing over a defect.
  • FIGS. 5 shows schematically an eddy current probe 500 according to an embodiment of the invention in the vicinity of the surface 582 of an electrically conductive specimen 580.
  • the exciter assembly consists in this simple embodiment of a single rectilinear electrical conductor 510, which forms the exciter section 515 and for the Test mode is connected to an AC voltage source.
  • the planar receiver coil 540 defines a receiver coil plane 542, which should be aligned for operation as parallel as possible to the specimen surface.
  • a symmetry plane 545 of the receiver coil runs centrally diagonally across the receiver coil perpendicular to the receiver coil plane.
  • the exciter section 515 extends in a plane parallel to the coil plane conductor plane 512 along the line of intersection between the plane of symmetry 545 and the conductor plane.
  • a primary magnetic field PF is generated, whose field lines FL run around the exciter section in planes lying perpendicular to the course of the exciter section.
  • a substantial portion of the magnetic field lines in the vicinity of the excitation section passes through the receiver coil and penetrates into near-surface regions of the test specimen, where eddy currents EC are induced.
  • a peculiarity is that with this arrangement, no voltage is induced in the receiver coil 540 as a whole, although an alternating magnetic field passes through the coil.
  • the receiver coil 540 is an absolute coil in the sense that no signal compensation with another receiver coil. Nevertheless, in this arrangement, the receiver coil also has characteristics of a differential coil arrangement.
  • the signal compensation thus takes place by direct compensation of magnetic field fluxes of the primary field in the receiver coil.
  • This magnetic field compensation or primary field compensation means that when this eddy current probe is placed in or near a defect-free material, the total flux changes of the primary alternating magnetic field generated by the exciting section and the secondary magnetic field generated by the eddy currents of the device under test disappear altogether, so that in the receiver coil in FIG In this case no voltage is induced.
  • the electrical voltage measured between the outputs of the receiver coil 540 is therefore equal to 0 in this case. It is important to note that this magnetic flux compensation is only necessary for the region within the receiver coil. By contrast, the conditions outside the detection range of the receiver coil have no influence on the output signal of the receiver coil.
  • An improved magnetic field concentration in the central region of the test volume centrally under the receiver coil can be achieved by providing conductor sections of the excitation arrangement on both sides next to the excitation section, which sections are also flowed through by the exciter current, but in the opposite direction to the exciter section.
  • alternating magnetic fields are generated on both sides of the exciter section, which are opposite to the alternating magnetic field of the exciter section and limit its lateral extent, so that a stronger focusing of the primary magnetic field of the exciter section results in the test volume 7 shows an eddy current probe 700 with a variant of the arrangement from FIG.
  • two conductor sections 710-1 A or 710-1 B are arranged at a defined lateral distance to the latter which are traversed by current at any given time in the opposite direction as the excitation section 715 and therefore produce oppositely directed primary AC fields which weaken the primary AC field of the exciter section outside the test area, so that the primary AC field more concentrated in the test volume below the pathogen section.
  • the bold line in the test specimen indicates the course of the eddy current density.
  • these measures for primary field focusing are also present in the embodiment of FIG. 1, since there the respectively further outer conductor sections 1 10-1 B, 1 10-2B of the excitation coils in the opposite direction to Passage section of primary current.
  • the excitation section 1 15 has not only a single electrical conductor, but two mutually parallel, linear conductor sections 1 10-1 A and 1 10-2A, which together generate the primary alternating field of the exciter arrangement. Due to this local concentration of the effective range of the primary magnetic field PF on the area centrally below the receiver coil, a particularly efficient defect inspection with high spatial resolution becomes possible. This will be explained with reference to the schematic FIG. 8A, which shows the eddy current probe 700 from FIG.
  • the eddy current probe is arranged at a small distance from the test object surface and a relative movement between eddy current probe and test specimen is carried out, for example, in such a way that the eddy current probe is moved relative to the stationary test specimen substantially parallel to its surface at a constant test distance. If the defect moves into the test area below the receiver coil 740, this leads to a change of the induced secondary magnetic field emanating from the test object. field, which overlaps with the primary field of the eddy current probe.
  • the bold line in the test specimen indicates the course of the eddy current density.
  • the magnetic symmetry of the magnetic field within the receiver coil 740 is disturbed, so that full magnetic flux compensation is no longer present.
  • the voltage at the output of the receiver coil increases from the value 0 (for homogeneous, defect-free test object material) to a finite value.
  • the resulting measurement signal which is generated by a partial surface of the receiver coil (FIG. 8B), is similar in shape to the measurement signal of a conventional absolute coil.
  • the other sub-surface generates a similar signal when overflowing the defect, but with amplitude in the opposite direction. Since the signals have absolute signal character, signal addition is possible, which will be explained in connection with FIGS. 9 to 12.
  • the evaluation of the measuring signal can be carried out with much higher sensitivity, so that even relatively small absolute signals can be reliably distinguished from minor interference signals that do not originate from defects. This results in a significant increase in the sensitivity of the receiver coil while reducing the noise level compared to conventional absolute coils same coil size and number of turns.
  • the spatial resolution can correspond to that of conventional absolute coils of the same size and number of turns.
  • An eddy current probe can have a single receiver coil (cf., for example, FIG. However, it is also possible for the excitation arrangement to be associated with two or more receiver coils forming a coil array.
  • FIG. 9 shows, as an exemplary embodiment, an eddy current probe 900 with an excitation arrangement 910, which is associated with four identical receiver coils 940A to 940D arranged in a rectilinear row.
  • the excitation arrangement 910 has the same structure as the excitation arrangement 110 of FIG. 1, for which reason identical or corresponding elements bear the same reference numbers, increased by 800.
  • the two exciter coils 910-1 and 910-2 with their mutually facing inner conductor sections 910-1 A and 910-2A form a rectilinear excitation section 915 with two mutually parallel conductor sections which, when connected to an AC voltage source 920, are in phase in the same direction from the excitation current be flown through.
  • the receiver coils 940A to 940D are arranged in a straight receiver coil row 940 symmetrical to the excitation section so that in relation to the primary alternating field generated by the excitation section in each of the measuring coils in air, the magnetic flux compensation described above and thus in principle a voltage of 0 volts as a measurement signal results.
  • Each of the receiver coils is connected to a channel of a receiver coil connection device 985, which makes it possible to receive the output signals of the individual receiver coils in separate channels and to supply them to a downstream evaluation device 980.
  • the evaluation device can be operated in different evaluation modes. In a first evaluation mode ("single signal"), the output signals of each of the receiver coils are processed separately and assigned to the position of the respective receiver coil in the row, thereby allowing localization of defects across the width of the sensor array, and another evaluation mode determining a "sum signal "by adding the output signals from at least two receiver coils of the receiver coil row by means of an adding operation. Preferably, in this adding mode, the output signals of all receiver coils 940A-940D of the receiver coil row are synchronously added. The adding operation corresponds in electrical terms to a series connection of the respective receiver coils.
  • Several different evaluation modes can be executed at the same time or with a time delay.
  • An array arrangement with a plurality of receiver coils makes it possible, inter alia, to examine larger test widths with high spatial resolution in a scanning examination of a test object surface by the eddy current probe and the test object in a relative direction of movement R perpendicular to the longitudinal direction of the receiver coil row or the coil array relative be moved together.
  • Various test situations and typical measurement signals will be explained with reference to FIGS. 10 to 12.
  • the test specimen P in FIG. 10 has a line-shaped first defect D1 extending transversely to the direction of relative movement R and a smaller, rather punctiform second defect D2.
  • the eddy current probe W has a row with four identical receiver coils E1 to E4, which are arranged symmetrically to the exciter section EA of the excitation device in a straight line.
  • the small defect D2 lies only in the test track run over by the first receiver coil E1, while the longer defect D1 extends over the entire width of the receiver coil row, ie over all four receiver coils.
  • the corresponding measurement signals are shown schematically.
  • the second defect D2 which lies only on the track of the first receiver coil E1, generates only in this first signal S1.
  • the other receiver coils are at the same time on homogeneous DUT material and therefore provide no output voltage, so that the simultaneously detected sum signal ZSi consists only of the signal S1 of the first receiver coil.
  • Fig. 1 1 a situation is shown in which only on the track of the second receiver coil E2 is a relatively small defect D2.
  • a second signal S2 results in the channel of the second receiver coil E2. Since the other receiver coils simultaneously drive over defect-free material, they do not supply any output voltage, so that the sum signal ZSi corresponds to the second signal S2.
  • the conductor sections of the excitation arrangement and the windings of the receiver coil are each formed by conductor tracks which are produced by means of printed circuit board technology, for example by printing or another coating technique. It is also possible to construct the eddy current probes with wire wound coils or conductor assemblies. It may be a relatively rigid or rigid arrangement of Act ladders. It is also possible to construct the eddy current probe as a flexible or flexible eddy current probe, which can adapt to different surface contours of test specimens.

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Abstract

Eine Wirbelstromsonde umfasst eine Erregeranordnung (110) mit mindestens einem elektrischen Leiter, der zum Anschluss an eine Wechselspannungsquelle vorgesehen ist, und eine Empfängeranordnung (130) mit mindestens einer von der Erregeranordnung gesonderten Empfängerspule (140), die eine oder mehrere Windungen aufweist. Die Erregeranordnung weist einen Erregerabschnitt (115) auf, in welchem ein Leiterabschnitt oder mehrere Leiterabschnitte derart verlaufen, dass durch den Leiterabschnitt oder die Leiterabschnitte des Erregerabschnitts bei Anschluss an eine Wechselspannungsquelle ein primäres magnetisches Wechselfeld (PF) mit um den Erregerabschnitt herum verlaufenden magnetischen Feldlinien (FL) erzeugt wird. Die Empfängerspule (140) ist in Bezug auf den Erregerabschnitt (115) derart angeordnet, dass die Empfängerspule vom primären magnetischen Wechselfeld des Erregerabschnitts derart symmetrisch durchsetzt wird, dass eine zeitliche Änderung dϕ/dt des magnetischen Flusses ϕ des primären magnetischen Wechselfeldes durch die Empfängerspule im Wesentlichen verschwindet.

Description

Wirbelstromsonde und Wirbelstrom-Prüfgerät
ANWENDUNGSGEBI ET UND STAND DER TECHNI K
Die Erfindung betrifft eine Wirbelstromsonde gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Wirbelstrom-Prüfgerät mit mindestens einer solchen Wirbelstromsonde. Bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (non-destructive testing, NDT) elektrisch leitender Materialien hat sich die Wirbelstromprüfung in vielen Anwendungsgebieten bewährt, beispielsweise bei der automatisierten zerstörungsfreien Prüfung an Halbzeugen für die metallerzeugende und metallverarbeitende Industrie, zur Durchführung von Prüfungen an sicherheitsrelevanten und funktionskritischen Bauteilen für Land- und Luftfahrzeuge oder im Anlagenbau. Die für die Wirbelstrom prüf ung eingesetzten Sensorsysteme werden üblicherweise als „Wirbelstromsonden" bezeichnet.
Bei der Wirbelstromprüfung wird eine Wirbelstromsonde in einem geringen Abstand (Prüfabstand) zu einer Oberfläche eines zu prüfenden Prüflings angeordnet, der zumindest im Bereich der Oberfläche aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Für die Prüfung wird in der Re- gel eine Relativbewegung zwischen Prüfling und Wirbelstromsonde erzeugt, beispielsweise indem die Wirbelstromsonde den zu prüfenden Bereich der Oberfläche überfährt.
Eine gattungsgemäße Wirbelstromsonde hat einer Erregeranordnung mit mindestens einem elektrischen Leiter, der zum Anschluss an eine Wechselspannungsquelle vorgesehen ist, und eine Empfängeranordnung mit mindestens einer von der Erregeranordnung gesonderten Emp- fängerspule, die eine oder mehrere Windungen aufweist. Typischerweise bildet der elektrische Leiter der Erregeranordnung mindestens eine Spule, die als Erregerspule oder Feldspule bezeichnet wird. Eine Empfängerspule wird häufig auch als Messspule bezeichnet.
Die Erregerspule wird zur Durchführung der Prüfung an einer Wechselspannungsquelle angeschlossen und kann dann ein primäres elektromagnetisches Wechselfeld (magnetisches Pri- märfeld) erzeugen, welches bei der Prüfung in das Prüfmaterial eindringt und im Wesentlichen in einer oberflächennahen Schicht des Prüfmaterials Wirbelströme erzeugt, die durch Gegeninduktion auf die Empfängerspule(n) der Wirbelstromsonde zurückwirken. Das durch die Wirbelströme verursachte sekundäre Magnetfeld (magnetisches Sekundärfeld) ist dabei nach der Lenz'schen Regel dem primären Magnetfeld entgegengesetzt. Ein Defekt im geprüften Bereich, beispielsweise ein Riss, eine Verunreinigung oder eine andere Materialinhomogenität, stört die Ausbreitung der Wirbelströme im Prüfmaterial und verändert somit die Wirbelstromintensität und dadurch auch die Intensität des auf die Empfängerspule rückwirkenden magnetischen Sekundärfeldes. Die dadurch verursachten Änderungen der elektrischen Eigenschaften einer Empfängerspule, z.B. insbesondere der Impedanz der Empfängerspule, führen zu elektrischen Messsignalen, die mittels einer Auswerteeinrichtung ausgewertet werden können, um Defekte zu identifizieren und zu charakterisieren.
Wirbelstromsonden, bei denen die Erregerspule und die Empfängerspule durch dieselbe Spule gebildet werden, werden als parametrische Wirbelstromsonden bezeichnet. Wirbelstromsonden, die eine Erregerspule und eine davon gesonderte Empfängerspule aufweisen, wobei eine Kopplung zwischen der Erregerspule und der Empfängerspule vermittelt über das Prüflingsmaterial erfolgt, werden als transformatorische Wirbelstromsonden bezeichnet. Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf eine transformatorische Wirbelstromsonde.
Die Erregerspule und die Empfängerspule haben normalerweise zueinander parallele Spulenachsen, so dass das primäre magnetische Wechselfeld der Erregerspule in der Empfänger- spule eine Wechselspannung induziert. Die Spannung bzw. der Spannungsverlauf in der Empfängerspule verändert sich, wenn die Wirbelstromsonde in die Nähe eines elektrisch leitenden Prüflings gebracht wird. Diese Änderungen werden für Messzwecke ausgewertet.
Nach der Art des Aufbaus der Empfängerspule und der dadurch bedingten Art der Messwerterfassung unterscheidet man üblicherweise zwischen sogenannten Absolutspulen (Empfänger- spulen in Absolutanordnung) und sogenannten Differenzspulen (Empfängerspulen in Differenzanordnung), die jeweils spezifische Vorteile und Nachteile haben.
Eine Absolutspule hat eine oder mehreren gleichsinnig verlaufende Windungen, die vom primären und vom sekundären Magnetfeld durchsetzt werden. Die Stärke des Messsignals hängt u.a. stark von der elektrischen Leitfähigkeit des Prüflingsmaterials, vom Abstand zwischen Empfängerspule und Probenoberfläche („Abstandseffekt" oder „Lift-Off-Effekt"), von der Neigung der Empfängerspule gegenüber der Prüflingsoberfläche („Kippeffekt" oder„Neigungseffekt") und vom sogenannten„Kanteneffekt" ab. Der Abstandseffekt drückt sich darin aus, dass die Signalamplitude des Messsignals mit größer werdendem Abstand zur Prüflingsoberfläche stark abfällt. Wird die Wirbelstromsonde bei der Messwertaufnahme gegenüber der Prüflings- Oberfläche leicht verkippt bzw. geneigt, so wirkt sich das stark auf das Messsignal aus. Der Rand eines Prüflings, also der Übergang zu Luft oder einem Material mit anderer elektrischer Leitfähigkeit, beeinträchtigt das Messsignal schon bei relativ großem Randabstand (lateraler Abstand zwischen der Messposition und dem Rand). Diesen Nachteilen steht als Vorteil gegen- über, dass Absolutspulen mit kleinen Dimensionen hergestellt werden können, so dass hohe Ortsauflösung erzielbar ist.
Eine typische Variante einer Differenzspule hat zwei möglichst identisch dimensionierte, sub- traktiv geschaltete Teilspulen, wobei jede Teilspule eine oder mehrere gleichsinnig verlaufende Windungen hat und die Windungen der Teilspulen gegensinnig zueinander verlaufen. Werden die Teilspulen vom primären und vom sekundären Magnetfeld durchsetzt, repräsentiert das Messsignal die Differenz der in den Teilspulen induzierten Spannungen. Im Gegensatz zu Absolutspulen wird in Luft und über„gesundem", d.h. homogenem, defektfreien Material jeweils keine Signalspannung erzeugt, da unterhalb der Teilspulen gleiche Bedingungen und somit gleiche induzierte Spannungen vorliegen, so dass die Differenzspannung gleich Null ist. Das Messsignal ist weniger stark vom Abstand zur Prüflingsoberfläche abhängig als bei Absolutspulen. Im Vergleich zur Absolutspule hat eine Differenzspule in der Regel eine höhere Dynamik und kann daher Defekte wie Risse sehr empfindlich detektieren. Allerdings müssen bei der Herstellung von Differenzspulen enge Fertigungstoleranzen eingehalten werden, um den ge- wünschten Kompensationseffekt der Teilspulen vollständig zu erhalten. Außerdem nimmt die Empfindlichkeit einer Differenzspule trotz der geringeren Abstandsabhängigkeit der Signalamplitude mit zunehmendem Prüfabstand ab. Der Kanteneffekt ist bei Differenzspulen normalerweise stärker als bei Absolutspulen. Schließlich ergeben sich prinzipbedingt größere Baugrößen, so dass die erzielbare Ortsauflösung geringer ist als bei Absolutspulen.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Wirbelstromsonde bereitzustellen, welche einige Vorteile von Absolutspulen und Differenzspulen vereinigt, ohne deren Nachteile in gleichem Maße aufzuweisen. Insbesondere soll die Wirbelstromsonde Materialprüfungen mit hoher örtlicher Auflösung und Empfindlichkeit ermöglichen und relativ unempfindlich gegenüber Schwankungen des Prüfabstands sein. Weiterhin soll eine gute Lokalisierung von Defekten erzielt werden.
Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben stellt die Erfindung eine Wirbelstromsonde mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Bei der Wirbelstromsonde gemäß der beanspruchten Erfindung wird durch eine besondere Anordnung von Leiterabschnitten des Erregerabschnitts (ein Leiterabschnitt oder mehrere Leiterabschnitte) in Bezug auf die (mindestens eine) Empfängerspule erreicht, dass die Empfänger- spule in Bezug auf den Erregerabschnitt bzw. auf diejenigen Leiterabschnitte, die den Erregerabschnitt bilden, in der Weise„magnetisch symmetrisch" angeordnet ist, dass das vom Erregerabschnitt erzeugte magnetische Primärfeld die Empfängerspule zwar durchsetzt, in der Empfängerspule jedoch insgesamt keine Spannung induziert wird, wenn sich die Empfänger- spule in Luft oder im korrekten Prüfabstand ohne Verkippung oder dergleichen gegenüber einem gesunden, defektfreien Prüflingsmaterial befindet. Es existieren schräg zur Spulenebene verlaufende Komponenten der Feldlinien des Primärfeldes. Diese durchsetzen die Empfängerspule jedoch derart in unterschiedlichen Richtungen und mit unterschiedlichen Vorzeichen, dass insgesamt eine Magnetflusskompensation des Primärfeldes in der Empfängerspule er- reicht wird. Defekte im Prüflingsmaterial stören diese Symmetrie und führen dann zu Messspannungen, die ausgewertet werden können. Da in der defektfreien Referenzsituation theoretisch keine Messspannung erzeugt wird, kann die Auswertung mit hoher Empfindlichkeit durchgeführt werden, um Abweichungen vom Referenzzustand (keine elektrische Spannung am Ausgang der Empfängeranordnung) präzise hinsichtlich Amplitude und Phase in Bezug auf den Erregerstrom der Wechselspannungsquelle auswerten zu können.
Für die Funktion der Wirbelstromsonde ist die beschriebene magnetische Symmetrie der Empfängerspule in Bezug auf das durch die Erregeranordnung erzeugte primäre magnetische Wechselfeld anzustreben. Besonders vorteilhaft kann dies dadurch erreicht werden, dass die Erregeranordnung und die Empfängerspule(n) nach gewissen Symmetrieüberlegungen zuei- nander angeordnet werden. Bei manchen Ausführungsformen definiert eine Empfängerspule eine Empfängerspulenachse und eine senkrecht zur Empfängerspulenachse orientierte Empfängerspulenebene sowie eine senkrecht zur Empfängerspulenebene orientierte Symmetrieebene, und der Leiterabschnitt oder die Leiterabschnitte des Erregerabschnitts verlaufen symmetrisch zu der Symmetrieebene parallel zu der Empfängerspulenebene. Die Symmetrieebene kann die Spulenfläche einer Empfängerspule in zwei Teilflächen aufteilen, die so gewählt sind, dass eine magnetische Flussänderung des Primärfeldes durch eine der Teilflächen entgegengesetzt gleich der Flussänderung des Primärfeldes durch die andere der Teilflächen ist, so dass sich die angesprochenen Magnetflusskompensation ergibt. Werden die Leiterabschnitte dann in gleicher Weise vom Erregerstrom durchflössen, ergibt sich aufgrund der geometrischen Sym- metrie automatisch die angestrebte magnetische Symmetrie.
Bei manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Erregeranordnung einen geradlinigen Erregerabschnitt aufweist, in welchem ein geradliniger Leiterabschnitt oder mehrere zueinander parallele geradlinige Leiterabschnitte verlaufen. Hierdurch kann auf besonders einfache Weise die angestrebte Symmetrie bezüglich des Magnetflusses des primären magnetischen Wechselfeldes erreicht werden. Die geradlinigen Leiterabschnitte können z.B. durch gerade Abschnitte von Rechteckspulen gebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass der Erregerabschnitt einen oder mehrere gekrümmte Leiterabschnitte hat, die z.B. durch Abschnitte von gerundeten Spulenwindungen gebildet werden.
Eine Empfängerspule kann z.B. eine annähernd rechteckige, ggf. quadratische Spulenform mit geradlinigen Leiterabschnitten aufweisen oder aber eine gerundete Spulenform ohne geradlinige Leiterabschnitte, z.B. eine kreisrunde Spulenform.
Besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Erregerabschnitt senkrecht zur Empfängerspulenachse mittig diagonal über die Empfängerspule verläuft. Dadurch kann erreicht werden, dass die vom Erregerabschnitt erzeugte magnetische Feldstärke am Ort der Empfängerspule besonders hoch ist, so dass im Prüfling starke Wirbelströme erzeugt werden können, wenn die Wirbelstromsonde in die Nähe der Prüflingsoberfläche gebracht wird. Es ist jedoch auch möglich, dass einige oder alle Leiterabschnitte des Erregerabschnitts außerhalb der durch die Windungen der Empfängerspule definierten Spulenfläche liegen. Beispielsweise können Leiterabschnitte des Erregerabschnitts symmetrisch zu einer Symmetrieebene der Empfängerspule an diametral gegenüberliegenden Seiten jeweils außerhalb der Empfängerspule angeordnet sein in der Weise, dass sich die von den außenliegenden Leiterabschnitten erzeugten Komponenten des primären magnetischen Wechselfeldes im Bereich der Empfängerspule in der oben beschriebenen Weise magnetisch kompensieren. Die Spulenfläche selbst kann frei von Leiterabschnitten der Erregeranordnung sein. Obwohl es möglich ist, dass die Wirbelstromsonde wenigstens teilweise mit Hilfe von elektrischen Leitern aufgebaut wird, die nicht in Form von Spulen vorliegen, ist bei bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen, dass die Erregeranordnung eine erste Erregerspule mit einer oder mehreren ersten Windungen und eine zweite Erregerspule mit einer oder mehreren zweiten Windungen aufweist, dass die Windungen der ersten und der zweiten Erregerspule spiegel- symmetrisch zu der Symmetrieebene der Empfängerspule angeordnet sind und dass bei An- schluss an die Wechselspannungsquelle diese Windungen elektrisch spiegelsymmetrisch geschaltet sind.
Insbesondere kann die Anordnung so getroffen werden, dass die erste Erregerspule einen der zweiten Erregerspule zugewandten inneren Leiterabschnitt und einen entfernt von der zweiten Erregerspule angeordneten äußeren Leiterabschnitt aufweist und dass die zweite Erregerspule einen der ersten Erregerspule zugewandten inneren Leiterabschnitt und einen entfernt von der ersten Erregerspule angeordneten äußeren Leiterabschnitt aufweist, wobei die inneren Leiterabschnitte den Erregerabschnitt bilden und bei Anschluss der Erregeranordnung an die Wech- selspannungsquelle gleichsinnig von Strom durchlaufen werden und die äußeren Leiterabschnitte gleichsinnig miteinander und gegensinnig zu den inneren Leiterabschnitten von Strom durchlaufen werden. Dadurch dass die inneren Leiterabschnitte gleichsinnig durchlaufen werden, addieren sich die durch diese Leiterabschnitte erzeugten Anteile des primären magneti- sehen Wechselfeldes konstruktiv und verstärken sich so gegenseitig, so dass im Bereich der inneren Leiterabschnitte hohe magnetische Feldstärken erreicht werden können. Die äußeren Leiterabschnitte können dagegen bei entsprechender Anordnung dazu dienen, das magnetische Primärfeld besser im Bereich der inneren Leiterabschnitte zu konzentrieren, indem die Dichte der Magnetfeldlinie in diesem Bereich erhöht wird. Eine Wirbelstromsonde kann eine einzige Empfängerspule aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, eine Wirbelstromsonde mit einer Array-Anordnung auszugestalten, die mehrere Empfängerspulen in geeigneter Anordnung umfasst, beispielsweise zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Empfängerspulen. Für jede der Empfängerspulen kann die Bedingung der Magnetfeldkompensation erfüllt sein, so dass sich Vorteile der beanspruchten Erfindung auch bei Array- Sonden realisieren lassen.
Bei einer Ausführungsform hat die Empfängeranordnung mindestens eine geradlinige Empfängerspulen-Reihe mit zwei oder mehr Empfängerspulen, die derart angeordnet sind, dass sich die beschriebene Magnetfeldkompensation ergibt. Mit Hilfe eines derartigen Linien-Arrays kann eine der Länge des Linien-Arrays entsprechende Prüfbreite eines Prüflings geprüft werden, wo- bei gleichzeitig in jeder von einer einzigen Empfängerspule überstrichenen Prüfspur eine hohe Ortsauflösung der Wirbelstromsonde erzielt werden kann. Es können auch mehrere in einer Bewegungsrichtung hintereinander geschaltete Linien-Arrays vorgesehen sein, deren Empfängerspulen z.B. derart„auf Lücke" zu Empfängerspulen eines anderen Linien-Arrays angeordnet sind, dass eine lückenlose Prüfung über eine große Prüfbreite möglich ist. Bei einem Sonden-Array mit zwei oder mehr Empfängerspulen können die Signale jeder der Empfängerspulen unabhängig von den Signalen der anderen Empfängerspulen ausgewertet werden. Es ist auch möglich, eine gemeinsame Auswertung der Signale von einigen oder allen der Empfängerspulen vorzusehen. Bei manchen Ausführungsformen sind Empfängerspulen der Empfängerspulen-Reihe elektrisch in Reihe geschaltet, so dass die Empfängerspulen-Reihe insgesamt ein Summensignal erzeugt, welches sich aus der Addition von Spannungen oder Spannungsanteilen ergibt, die in den einzelnen Empfängerspulen induziert werden. Dadurch wird es u.a. möglich, größere Flächen mit höherer Fehlerauflösung zu prüfen. Die Erfindung betrifft auch ein Wirbelstrom-Prüfgerät mit mindestens einer Wirbelstromsonde gemäß der beanspruchten Erfindung. Das Wirbelstrom-Prüfgerät hat eine Versorgungs- und Auswerteeinheit, die eine Wechselspannungsquelle und eine Auswerteeinrichtung aufweist. Die Erregeranordnung einer Wirbelstromsonde ist an die Wechselspannungsquelle angeschlossen, um im Prüfbetrieb ein primäres magnetisches Wechselfeld erzeugen zu können. Die Empfängeranordnung der Wirbelstromsonde ist an die Auswerteeinrichtung angeschlossen, die dafür konfiguriert ist, an der Empfängeranordnung auftretende elektrische Messsignale zu verarbeiten.
Bei manchen Ausführungsformen sind der Erregeranordnung zwei oder mehr Empfängerspulen zugeordnet, die ein Spulen-Array bilden, beispielsweise in Form einer geradlinigen Empfängerspulen-Reihe. Vorzugsweise ist jede der Empfängerspulen an einen Kanal einer Empfängerspulen-Verbindungseinrichtung angeschlossen, die dafür konfiguriert ist, Ausgangssignale der einzelnen Empfängerspulen in getrennten Kanälen aufzunehmen und der Auswerteeinrichtung zuzuführen. Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung so konfiguriert, dass sie in einem Aus- wertungsmodus betrieben werden kann, der ein Summensignal ermittelt, indem Ausgangssignale von mindestens zwei Empfängerspulen mittels einer Addierungsoperation addiert werden. Obwohl es möglich ist, dass Ausgangssignale nur von einer ausgewählten Untergruppe von Empfängerspulen addiert werden, werden vorzugsweise im Addierungsmodus die Ausgangssignale aller Empfängerspulen eines Empfängerspulen-Arrays synchron addiert. Hierdurch kön- nen unter anderem relativ breite Prüfspuren mit hoher Ortsauflösung entsprechende Ortsauflösung einer einzelnen Empfängerspule geprüft werden. Es ist auch möglich, die Empfängerspulen in zwei oder mehr Untergruppen zu unterteilen, die jeweils als Array geschaltet sind, und dann Signale von Empfängerspulen innerhalb der Untergruppen zu addieren. Dadurch kann u.a. erreicht werden, dass auch bei einer begrenzten Anzahl von Auswertungskanälen größere Flächen mit hoher Ortsauflösung geprüft werden können.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung alternativ oder zusätzlich dafür konfiguriert, in einem Auswertungsmodus die Ausgangssignale jeder einzelnen der Empfängerspulen separat zu verarbeiten und der Position der jeweiligen Empfängerspule in einem Empfängerspulen-Array zuzuordnen. Hierdurch ist eine Lokalisierung von Defekten über die Prüfbreite eines Sensor- Arrays möglich. KURZBESCHREI BU NG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind. Dabei zeigen: Fig. 1 zeigt schematisch ein Wirbelstrom-Prüfgerät gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 zeigt einen schematischen Vertikalschnitt durch die Wirbelstromsonde des Wirbelstrom- Prüfgeräts aus Fig. 1 ;
Fig. 3 zeigt eine Erregerspule einer herkömmlichen Wirbelstrom-Tastsonde im Betrieb mit Ab- stand zur Oberfläche eines Prüflings;
Fig. 4 zeigt die Erregerspule aus Fig. 3 in Fig. 4A in Kombination mit einer Absolutspule und in Fig. 4C in Kombination mit einer Differenzspulenanordnung, jeweils mit Messsignalen in Fig. 4B bzw. 4D;
Fig. 5 zeigt schematisch eine Wirbelstromsonde gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in der Nähe der Oberfläche eines Prüflings;
Fig. 6 illustriert schematisch die Magnetflusskompensation des Primärfeldes in der Empfängerspule aus Fig. 5;
Fig. 7 zeigt eine Wirbelstromsonde mit einer Variante der Anordnung aus Fig. 5, wobei auf beiden Seiten des Erregerabschnitts gegensinnig durchströmte Leiterabschnitte angeordnet sind; Fig. 8 zeigt die Wirbelstromsonde aus Fig. 7 beim Überfahren eines Defekts sowie einen Teil eines zugehörigen Messsignals;
Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Array-Wirbelstromsonde mit vier in gerader Reihe angeordneten Empfängerspulen;
Fig. 10 bis 12 zeigen verschiedene Prüfszenarien und Möglichkeiten der Signalauswertung von Signale der Empfängerspulen einer Array-Wirbelstromsonde ohne und mit Signaladdition. DETAI LLIERTE BESCHREI BUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPI ELE
In Fig. 1 ist ein Wirbelstrom-Prüfgerät 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Das Wirbelstrom-Prüfgerät weist eine Wirbelstromsonde 100 auf, die über elektrische Anschlussleitungen an eine Versorgungs- und Auswerteeinheit 190 elektrisch ange- schlössen ist. Die Wirbelstromsonde 100 umfasst eine Erregeranordnung 1 10 mit mehreren elektrischen Leitern, die über Anschlusselemente an eine Wechselspannungsquelle 120 der Versorgungs- und Auswerteeinheit angeschlossen sind. Weiterhin hat die Wirbelstromsonde eine Empfängeranordnung 130 mit einer Empfängerspule 140, die elektrisch von der Erregeranordnung isoliert ist und ein oder mehrere Windungen aufweist, welche über Anschlussleitun- gen an eine Auswerteeinrichtung 180 der Versorgungs- und Auswerteeinheit 190 angeschlossen sind. Die Fig. 2 zeigt einen schematischen Vertikalschnitt durch die Wirbelstromsonde des Wirbelstrom-Prüfgeräts aus Fig. 1 .
Die Wirbelstromsonde 100 ist als Mehrschicht-Wirbelstromsonde mit Mitteln der Leiterplatten- Technologie hergestellt. Die Empfängerspule 140 ist eine Flachspule, deren Windungen in einer gemeinsamen Ebene (Empfängerspulenebene 142) liegen und eine Empfängerspulenachse 144 definieren, die senkrecht zur Empfängerspulenebene verläuft. Die Windungen der Empfängerspule sind auf einer Oberfläche einer elektrisch isolierenden Trägerschicht 170 aufgebracht. Auch die elektrischen Leiter der Erregeranordnung sind auf einer Oberfläche einer elektrisch isolierenden Trägerschicht (dieselbe Trägerschicht 170 oder eine andere Trägerschicht) aufge- bracht in der Weise, dass mindestens eine elektrisch isolierende Trägerschicht zwischen diesen elektrischen Leitern und den Windungen der Empfängerspule liegt, so dass diese voneinander elektrisch isoliert sind.
Die elektrischen Leiter der Erregeranordnung 1 10 bilden eine erste Erregerspule 1 10-1 und eine zweite Erregerspule 1 10-2, die jeweils eine oder mehrere Windungen haben können und jeweils als Flachspulen mit Spulenebenen parallel zur Empfängerspulenebene ausgebildet sind. Die Windungen der ersten und der zweiten Erregerspule sind spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieebene 145 angeordnet, die mittig durch die Empfängerspule verläuft und die Empfängerspulenachse 144 enthält.
Die erste Erregerspule 1 10-1 hat einen der zweiten Erregerspule 1 10-2 zugewandten gradlini- gen inneren Leiterabschnitt 1A und einen in größerem Abstand zur Symmetrieebene entfernt von der zweiten Erregerspule angeordneten äußeren Leiterabschnitt 1 10-1 B, der parallel zum inneren Leiterabschnitt 1 10-1 A verläuft. Entsprechend hat die zweite Erregerspule 1 10-2 einen geradlinigen inneren Leiterabschnitt 1 10-2A in der Nähe der ersten Erregerspule, sowie einen entfernt von der ersten Erregerspule angeordneten gradlinigen äußeren Leiterabschnitt 1 10-2B, der parallel zum inneren Leiterabschnitt 1 10-2A verläuft.
Bei Anschluss an die Wechselspannungsquelle 120 werden die beiden symmetrisch zur Symmetrieebene 145 angeordneten, nahe beieinander liegenden und mittig quer über die Empfän- gerspule hinweg verlaufenden inneren Leiterabschnitte 1 10-1 A und 1 10-2B gleichsinnig vom Erregerstrom durchlaufen, während die weiter außen liegenden äußeren Leiterabschnitte 1 10- 1 B und 1 10-2B jeweils gegensinnig zu den inneren Leiterabschnitten, aber gleichsinnig miteinander und d.h. in die gleiche Richtung, vom Strom durchlaufen werden. Die rechteckigen Erregerspulen liegen somit spiegelsymmetrisch zur Symmetrieebene 145 und werden auch spie- gelsymmetrisch zu dieser Symmetrieebene elektrisch betrieben.
Die inneren Leiterabschnitte 1 10-1 A und 1 10-2A bilden gemeinsam den geradlinig verlaufenden Erregerabschnitt 1 15 der Erregeranordnung. Der Erregerabschnitt 1 15 verläuft senkrecht zur Empfängerspulenachse mittig diagonal über die Empfängerspule 140. Die inneren Leiterabschnitte werden bei Anschluss an die Wechselspannungsquelle 120 phasengleich von Wech- selstrom durchlaufen und erzeugen gemeinsam ein primäres magnetisches Wechselfeld PF, dessen Feldlinien FL um den Erregerabschnitt 1 15 herum verlaufen (vgl. Fig. 2).
Die Empfängerspule 140 ist in Bezug auf den Erregerabschnitt 1 15 in der Weise„magnetisch symmetrisch" angeordnet, dass die Empfängerspule zwar vom primären magnetischen Wechselfeld PF des Erregerabschnitts durchlaufen wird, wobei jedoch die Empfängerspule derart symmetrisch vom primären magnetischen Wechselfeld durchsetzt wird, dass eine zeitliche Änderung d<J>/dt des magnetischen Flusses Φ des primären magnetischen Wechselfeldes durch die Empfängerspule insgesamt möglich vollständig verschwindet. Dies hat zu Folge, dass das magnetische Primärfeld die Empfängerspule zwar durchsetzt, in dieser Empfängerspule aber insgesamt keine elektrische Spannung induziert. Dieser Effekt wird hier als„Magnetflusskom- pensation" bzw. „Primärfeldkompensation" bezeichnet. Dies wird dadurch erreicht, dass die Symmetrieebene 145 der Empfängerspule 140 derart liegt, dass die Empfängerspule in zwei magnetisch gleichwertige Teilflächen 146-1 und 146-2 geteilt wird, wobei die magnetische Flussänderung durch eine der Teilflächen entgegengesetzt gleich der Flussänderung durch die andere Teilfläche ist, so dass sich die Änderungen der Magnetflüsse kompensieren. Wenn Φ-ι der magnetische Fluss durch die erste Teilfläche 146-1 und Φ2 der magnetische Fluss durch die zweite Teilfläche 146-2 ist, gilt somit für die induzierte Spannung V die Bedingung:
V = -(d<Pi + d<P2)/dt * 0 Zum besseren Verständnis der Funktion und der Vorteile dieser Anordnung gegenüber herkömmlichen Wirbelstromsonden werden in Bezug auf die Fig. 3 und 4 einige Eigenschaften herkömmlicher Wirbelstromsonden in Absolutanordnung und Differenzanordnung erläutert.
Fig. 3 zeigt eine Erregerspule 310 einer herkömmlichen Wirbelstrom-Tastsonde im Betrieb mit Abstand zur Oberfläche 382 eines elektrisch leitenden Prüflings 380. Die Erregerspule wird typischerweise so zur Prüflingsoberfläche orientiert, dass die Erregerspulenachse 312 möglichst senkrecht zur Prüflingsoberfläche ausgerichtet ist. Die Erregerspule erzeugt ein primäres magnetisches Wechselfeld PF, das im leitenden Prüflingsmaterial Wirbelströme EC induziert. Die magnetische Feldstärke nimmt dabei aufgrund des frequenzabhängigen Skin-Effekts mit der Eindringtiefe des Primärfeldes exponentiell ab. Bei dieser Anordnung nimmt die Dichte der magnetischen Feldlinien im Prüfvolumen V in der Nähe der Spulenachse 312 mit zunehmender Eindringtiefe stark ab.
Eine derartige Erregerspule kann mit unterschiedlichen Typen von Empfängerspulenanordnungen kombiniert werden. Fig. 4A zeigt die Erregerspule 310 in Kombination mit einer Absolutspu- le ABS. Das von der Erregerspule erzeugte magnetische Wechselfeld induziert in der Absolutspule eine Messspannung. Die Spannung ändert sich bei Anwesenheit eines elektrisch leitenden Materials und Defekte im Material können analysiert werden. Bei einer derartigen Absolutanordnung hängt die Stärke des Messsignals stark vom Prüfabstand A zwischen der Empfängerspule und der Prüflingsoberfläche und der Leitfähigkeit des Prüflingsmaterials ab. Wei- terhin sind die Messspannungen empfindlich gegenüber Verkippungen der Wirbelstromsonde (Kipp-Effekt). Zuverlässige Messwerte können auch nur aus Bereichen erzielt werden, die einen ausreichenden lateralen Abstand B (Randabstand) von der Kante des Prüflings haben, weil ansonsten ein nachteiliger Kanteneffekt auftritt. Vorteile von Absolutspulen liegen u.a. darin, dass sehr kleine Baugrößen bzw. kleine Spulenflächen möglich sind, so dass eine hohe Ortsauflösung erzielt werden kann. Mit Absolutsonden ist es auch möglich, in gewissem Umfang die Defektlängen zu bestimmen. Außerdem sind die Messsignale relativ unabhängig von der Richtung, in welcher eine Tastsonde über einen defektbehafteten Bereich geführt wird.
Fig. 4B zeigt schematisch ein typisches Messsignal einer herkömmlichen Absolutspule beim Überfahren eines elektrisch leitenden Prüflings. In Luft wird durch das Primärfeld in der Abso- lutspule eine konstante endliche Messspannung V1 induziert. Diese Messspannung ändert sich in der Nähe des Prüflings und zeigt bei Überfahren von Defekten charakteristische Änderungen.
In Fig. 4C ist die Erregerspule 310 in Kombination mit einer Empfängerspulenanordnung DIFF in Differenzschaltung gezeigt. Die Empfängerspulenanordnung hat eine erste Empfängerspule S1 und eine gegensinnig zu dieser gewickelte zweite Empfängerspule S2 mit ansonsten gleichen elektrischen Eigenschaften. Die Spulen sind symmetrisch zur Erregerspule 310 angeordnet, so dass das primäre Wechselfeld der Erregerspule sowohl in der ersten Spule S1 als auch in der zweiten Spule S2 jeweils eine Spannung induziert. Diese Spannungen kompensieren sich jedoch aufgrund der Differenzschaltung auf eine Messspannung V = 0, so lange die Differenzsonde in Luft oder gegenüber einem defektfreien Material betrieben wird. Ein Defekt im Prüflingsmaterial stört die Symmetrie und führt zu einem von 0 verschiedenen Messsignal. Zur Erzielung der gewünschten vollständigen Kompensation der Messspulen müssen enge Fertigungstoleranzen eingehalten werden. Auch bei Differenzspulen ist die Sensitivität vom Prüfab- stand abhängig. Nachteilig bei Differenzspulenanordnungen ist u.a. deren durch die Bauart bedingte Mindestgröße, so dass die Ortsauflösung begrenzt ist. Die Bestimmung von Defektlängen ist schwieriger als bei Absolutsonden. Außerdem beeinträchtigt der Kanteneffekt die Messergebnisse bei Differenzspulen stärker als bei Absolutspulen.
Fig. 4D zeigt ein typisches Messsignal einer Differenzspulenanordnung bei Überfahren eines elektrisch leitenden Prüflings. Entsprechende Signalformen ergeben sich auch bei Überfahren eines Defekts.
Anhand der Fig. 5 bis 8 sollen nun wichtige Unterschiede zwischen Wirbelstromsonden gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und herkömmlichen Wirbelstromsonden erläutert werden. Fig. 5 zeigt schematisch eine Wirbelstromsonde 500 gemäß einer Ausführungs- form der Erfindung in der Nähe der Oberfläche 582 eines elektrisch leitenden Prüflings 580. Die Erregeranordnung besteht bei diesem einfachen Ausführungsbeispiel aus einem einzigen geradlinigen elektrischen Leiter 510, der den Erregerabschnitt 515 bildet und für den Prüfbetrieb an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen wird. Die ebene Empfängerspule 540 definiert eine Empfängerspulenebene 542, die für den Betrieb möglichst parallel zur Prüflingsoberfläche ausgerichtet sein sollte. Eine Symmetrieebene 545 der Empfängerspule verläuft mittig diagonal über die Empfängerspule senkrecht zur Empfängerspulenebene. Der Erregerabschnitt 515 verläuft in einer parallel zur Spulenebene verlaufenden Leiterebene 512 entlang der Schnittlinie zwischen der Symmetrieebene 545 und der Leiterebene.
Wird der Erregerabschnitt mit Wechselstrom durchflössen, wird ein magnetisches Primärfeld PF erzeugt, dessen Feldlinien FL in senkrecht zum Verlauf des Erregerabschnitts liegenden Ebenen um den Erregerabschnitt herum verlaufen. Ein wesentlicher Teil der magnetischen Feldlinien in der Nähe des Erregerabschnitts durchtritt dabei die Empfängerspule und dringt in oberflächennahe Bereiche des Prüflings ein, wo Wirbelströme EC induziert werden. Eine Besonderheit besteht darin, dass bei dieser Anordnung in der Empfängerspule 540 insgesamt keine Spannung induziert wird, obwohl ein magnetisches Wechselfeld durch die Spule hindurchtritt. Die Empfängerspule 540 ist zwar eine Absolutspule in dem Sinne, dass keine Signalkompensation mit einer anderen Empfängerspule erfolgt. Dennoch hat bei dieser Anordnung die Empfängerspule auch Charakteristika einer Differenzspulenanordnung. Bei dieser Anordnung wird nämlich eine Kompensation der induzierten Spannungen dadurch erreicht, dass die Empfängerspule vom primären magnetischen Wechselfeld des Erregerabschnitts in der Weise magnetisch symmetrisch durchsetzt wird, dass die zeitliche Änderung d<J>/dt des magnetischen Flusses des primären magnetischen Wechselfeldes durch die Empfängerspule insgesamt ver- schwindet. Dabei erzeugt jede nicht parallel zur Empfängerspulenebene verlaufene Komponente K1 des magnetischen Flusses beim Durchtritt durch die Spulenebene eine induzierte Spannung. Aufgrund der magnetischen Symmetrie existiert jedoch eine entsprechende entgegengesetzt gerichtete Komponente K2, welche eine entsprechende Spannung mit entgegengesetzter Polung induzieren würde, so dass insgesamt kein Ausgangssignal (Messspannung = 0 V) resul- tiert (Fig. 6).
Die Signalkompensation erfolgt also durch direkte Kompensation von Magnetfeldflüssen des Primärfeldes in der Empfängerspule. Diese Magnetschlusskompensation oder Primärfeldkompensation führt dazu, dass bei Anordnung dieser Wirbelstromsonde in Luft oder in der Nähe eines defektfreien Materials die totalen Flussänderungen des vom Erregerabschnitt erzeugten primären magnetischen Wechselfeldes und des von den Wirbelströmen des Prüflings erzeugten sekundären Magnetfeldes insgesamt verschwinden, so dass in der Empfängerspule in diesem Fall keine Spannung induziert wird. Die zwischen den Ausgängen der Empfängerspule 540 gemessene elektrische Spannung ist also in diesem Falle gleich 0. Hierbei ist wichtig festzuhalten, dass diese Magnetflusskompensation nur für den Bereich innerhalb der Empfängerspule erfor- derlich ist. Die Verhältnisse außerhalb des Erfassungsbereichs der Empfängerspule haben dagegen keinen Einfluss auf das Ausgangssignal der Empfängerspule.
Schon bei dieser einfachen Anordnung ist erkennbar, dass die Dichte der Magnetfeldlinien FL im Prüfvolumen V unmittelbar unter dem Erregerabschnitt nicht in der Weise divergiert, wie dies bei der konventionellen Erregeranordnung in Fig. 3 der Fall ist. Die Wirkung des primären Wechselfeldes ist also besser räumlich konzentriert bzw. fokussiert als im Falle konventioneller Wirbelstromsonden. Hierdurch ergibt sich u.a. eine wesentliche Verringerung des oben erläuterten Kanteneffektes, weil die Auswirkung der Kante des Prüflings auf das Messsignal erst bei geringerem Randabstand im Messsignal erkennbar wird. Eine verbesserte Magnetfeldkonzentration im zentralen Bereich des Prüfvolumens mittig unter der Empfängerspule kann dadurch erreicht werden, dass auf beiden Seiten neben dem Erregerabschnitt Leiterabschnitte der Erregeranordnung vorgesehen werden, die ebenfalls vom Erregerstrom durchflössen werden, jedoch in gegensinniger Richtung zum Erregerabschnitt. Dadurch werden beidseitig des Erregerabschnitts magnetische Wechselfelder erzeugt, die dem magnetischen Wechselfeld des Erregerabschnitts entgegengerichtet sind und dessen laterale Ausdehnung begrenzen, so dass eine stärkere Fokussierung des primären Magnetfeldes des Erregerabschnittes im Prüfvolumen resultiert.„Fokussierung" bedeutet hierbei, dass die räumliche Dichte der Magnetfeldlinien im Bereich der Fokussierung erhöht wird. Fig. 7 zeigt dazu eine Wirbelstromsonde 700 mit einer Variante der Anordnung aus Fig. 5, wobei auf beiden Seiten des Erregerabschnitts 715 in definierten lateralen Abstand zu diesem zwei Leiterabschnitte 710- 1 A bzw. 710-1 B angeordnet sind, die zu jedem gegebenen Zeitpunkt in umgekehrter Richtung wie der Erregerabschnitt 715 von Strom durchflössen werden und daher entgegengesetzt gerichtete primäre Wechselfelder erzeugen. Diese schwächen das primäre Wechselfeld des Erre- gerabschnitts außerhalb des Prüfbereichs, so dass das primäre Wechselfeld stärker im Prüfvolumen unterhalb des Erregerabschnitts konzentriert wird. Die fette Linie im Prüfling deutet den Verlauf der Wirbelstromdichte an.
Wie z.B. aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind diese Maßnahmen zur Primärfeldfokussierung auch bei der Ausführungsform von Fig. 1 vorhanden, da dort die jeweils weiter außen liegenden Leiter- abschnitte 1 10-1 B, 1 10-2B der Erregerspulen in umgekehrter Richtung zum Erregerabschnitt von Primärstrom durchlaufen werden. Im Unterschied zur Variante von Fig. 7 weist der Erregerabschnitt 1 15 jedoch nicht nur einen einzigen elektrischen Leiter auf, sondern zwei zueinander parallele, geradlinige Leiterabschnitte 1 10-1 A und 1 10-2A, die gemeinsam das primäre Wechselfeld der Erregeranordnung erzeugen. Durch diese lokale Konzentration des Wirkungsbereiches des primären Magnetfeldes PF auf den Bereich mittig unterhalb der Empfängerspule wird eine besonders effiziente Defektprüfung mit hoher Ortsauflösung möglich. Dies wird anhand der schematischen Fig. 8A erläutert, die die Wirbelstromsonde 700 aus Fig. 7 bei der Prüfung eines Prüflings 780 zeigt, der unterhalb der Prüflingsoberfläche 782 ein Defekt D z.B. in Form eines Risses oder eines Lunkers aufweist. Zur Durchführung der Prüfung wird die Wirbelstromsonde in geringem Abstand zur Prüflingsoberfläche angeordnet und eine Relativbewegung zwischen Wirbelstromsonde und Prüfling beispielsweise in der Weise durchgeführt, dass die Wirbelstromsonde relativ zum ruhenden Prüfling im Wesentlichen parallel zu dessen Oberfläche bei konstantem Prüfabstand bewegt wird. Wenn sich der Defekt in den Prüfbereich unterhalb der Empfängerspule 740 bewegt, führt dies zu einer Veränderung des vom Prüfling ausgehenden induzierten magnetischen Sekundär- feldes, welches sich mit dem Primärfeld der Wirbelstromsonde überlagert. Die fette Linie im Prüfling deutet den Verlauf der Wirbelstromdichte an. Resultierend daraus wird die magnetische Symmetrie des magnetischen Feldes innerhalb der Empfängerspule 740 gestört, so dass keine vollständige Magnetflusskompensation mehr vorliegt. Als Folge davon steigt die Spannung am Ausgang der Empfängerspule vom Wert 0 (bei homogenen, defektfreien Prüflingsmaterial) auf einen endlichen Wert an. Das daraus resultierende Messsignal, welches von einer Teilfläche der Empfängerspule erzeugt wird, (Fig. 8B) ähnelt in der Form dem Messsignal einer konventionellen Absolutspule. Die andere Teilfläche erzeugt beim Überlaufen des Defekts ein ähnliches Signal, jedoch mit Amplitude in entgegengesetzter Richtung. Da die Signale Absolutsignal- Charakter haben, ist eine Signaladdition möglich, was im Zusammenhang mit Fig. 9 bis 12 noch erläutert wird.
Da das ungestörte Prüflingsmaterial keine Messspannung erzeugt, kann die Auswertung des Messsignals mit wesentlich höherer Empfindlichkeit erfolgen, so dass auch relativ kleine Absolutsignale zuverlässig von nicht auf Defekte zurückgehenden geringfügigen Störsignalen unter- schieden werden können. Es ergibt sich somit eine erhebliche Steigerung der Sensitivität der Empfängerspule bei gleichzeitiger Reduktion des Störpegels im Vergleich zu konventionellen Absolutspulen gleicher Spulengröße und Windungsanzahl. Die Ortsauflösung kann dabei derjenigen konventioneller Absolutspulen gleicher Größe und Windungszahl entsprechen.
Eine Wirbelstromsonde kann eine einzige Empfängerspule aufweisen (vgl. z.B. Fig. 1 ). Es ist jedoch auch möglich, dass der Erregeranordnung zwei oder mehr Empfängerspulen zugeordnet sind, die ein Spulen-Array bilden. Beispielhaft zeigt Fig. 9 als Ausführungsbeispiel eine Wirbelstromsonde 900 mit einer Erregeranordnung 910, der vier identische, in einer geradlinigen Reihe angeordnete Empfängerspulen 940A bis 940D zugeordnet sind. Die Erregeranordnung 910 hat prinzipiell den gleichen Aufbau wie die Erregeranordnung 1 10 aus Fig. 1 , weshalb glei- che oder entsprechende Elemente die gleichen Bezugszeichen, erhöht um 800, tragen. Die zwei Erregerspulen 910-1 und 910-2 bilden mit ihren einander zugewandten inneren Leiterabschnitten 910-1 A bzw. 910-2A einen geradlinigen Erregerabschnitt 915 mit zwei zueinander parallelen Leiterabschnitten, die bei Anschluss an eine Wechselspannungsquelle 920 phasengleich in der gleichen Richtung vom Erregerstrom durchflössen werden. Die Empfängerspulen 940A bis 940D sind in einer geraden Empfängerspulen-Reihe 940 symmetrisch zum Erregerabschnitt so angeordnet, dass sich in Bezug auf das vom Erregerabschnitt erzeugte primäre Wechselfeld in jeder der Messspulen in Luft die oben beschriebene Magnetflusskompensation und damit prinzipiell eine Spannung von 0 Volt als Messsignal ergibt. Jede der Empfängerspulen ist an einen Kanal einer Empfängerspulen-Verbindungseinrichtung 985 angeschlossen, die es ermöglicht, die Ausgangssignale der einzelnen Empfängerspulen in getrennten Kanälen aufzunehmen und einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung 980 zuzuführen. Die Auswerteeinrichtung kann in verschiedenen Auswertungsmodi betrieben werden. In einem ersten Auswertungsmodus („Einzelsignal") werden die Ausgangssignale jeder der Empfängerspulen separat verarbeitet und der Position der jeweiligen Empfängerspule in der Reihe zugeordnet. Hierdurch ist eine Lokalisierung von Defekten über die Breite des Sensor-Arrays möglich. Ein anderer Auswertungsmodus ermittelt ein„Summensignal", indem die Ausgangssignale von mindestens zwei Empfängerspulen der Empfängerspulen-Reihe mittels einer Addierungsoperation addiert werden. Vorzugsweise werden in diesem Addierungsmodus die Ausgangssignale aller Empfängerspulen 940A - 940D der Empfängerspulen-Reihe synchron addiert. Die Addierungsoperation entspricht in elektrischer Hinsicht einer Reihenschaltung der entsprechenden Empfängerspulen. Es können mehrere unterschiedliche Auswertungsmodi zeitgleich oder zeitversetzt ausgeführt werden.
Eine Array-Anordnung mit mehreren Empfängerspulen erlaubt es unter anderem, bei einer scannenden Prüfung einer Prüflingsoberfläche größere Prüfbreiten mit hoher Ortsauflösung zu prüfen, indem die Wirbelstromsonde und der Prüfling in einer Relativbewegungsrichtung R senkrecht zur Längsrichtung der Empfängerspulen-Reihe bzw. des Spulen-Arrays relativ zuei- nander bewegt werden. Anhand der Fig. 10 bis 12 werden verschiedene Prüfsituationen und typische Messsignale erläutert.
Der Prüfling P in Fig. 10 hat einen quer zur Relativbewegungsrichtung R verlaufenden, linien- förmigen ersten Defekt D1 und einen kleineren, eher punktförmigen zweiten Defekt D2. Die Wirbelstromsonde W hat eine Reihe mit vier identischen Empfängerspulen E1 bis E4, die sym- metrisch zum Erregerabschnitt EA der Erregeranordnung in gerader Reihe angeordnet sind. Der kleine Defekt D2 liegt nur in der von der ersten Empfängerspule E1 überfahrenen Prüfspur, während der längere Defekt D1 sich über die gesamte Breite der Empfängerspulen-Reihe, also über alle vier Empfängerspulen erstreckt. In der rechten Teilfigur sind die entsprechenden Messsignale schematisch dargestellt. Der längere Defekt D1 erzeugt in der ersten Empfängerspule E1 ein erstes Signal S1 einer gewissen Signalamplitude. Da dieser Defekt gleichzeitig auch unter den anderen Empfängerspulen vorbeiläuft und dort entsprechende Signale S2, S3 und S4 verursacht, ergibt sich durch die Additionsoperation ein im Vergleich zum Einzelsignal S1 größeres Summensignal ZSi = S1 + S2 + S3 + S4.
Der zweite Defekt D2, der nur auf der Spur der ersten Empfängerspule E1 liegt, erzeugt nur in dieser ein erstes Signal S1 . Die anderen Empfängerspulen liegen zur gleichen Zeit über homo- genes Prüflingsmaterial und liefern daher keine Ausgangsspannung, so dass das gleichzeitig erfasste Summensignal ZSi nur aus dem Signal S1 der ersten Empfängerspule besteht.
In Fig. 1 1 ist zum Vergleich eine Situation gezeigt, bei der lediglich auf der Spur der zweiten Empfängerspule E2 ein relativ kleiner Defekt D2 liegt. In dieser Situation ergibt sich im Kanal der zweiten Empfängerspule E2 ein zweites Signal S2. Da die anderen Empfängerspulen gleichzeitig über defektfreies Material fahren, liefern diese keine Ausgangsspannung, so dass das Summensignal ZSi dem zweiten Signal S2 entspricht.
Durch Zuordnung der einzelnen Signale zum Kanal der entsprechenden Empfängerspule ist somit eine Lokalisierung des Defekts in Breitenrichtung, also senkrecht zur Relativbewegungs- richtung möglich. Aus Fig. 12 wird ersichtlich, dass eine derartige Array-Wirbelstromsonde relativ unempfindlich gegen den Kanteneffekt ist, wenn die Wirbelstromsonde im Wesentlichen parallel zum Verlauf der Kante geführt wird und diese dabei auch überlappen kann. Im Beispielsfall wird die erste Empfängerspule E1 derart über der Kante K entlang bewegt, dass ein Teil der Empfängerspule, noch das Prüflingsmaterial abdeckt, während ein anderer Teil in Luft verläuft. Da hier in der ers- ten Empfängerspule sowohl im Bereich des Prüflings als auch in Luft die eingangs beschriebene Magnetflusskompensation erfolgt, liegt am Ausgang der ersten Empfängerspule keine Messspannung an. Auch bei der dritten und vierten Empfängerspule E3, E4, die über defektfreiem Material verlaufen, tritt keine Messspannung auf. Lediglich die zweite Empfängerspule E2 erzeugt beim Überfahren des Defekts D2 ein Messsignal, weil durch diesen die Symmetrie- bedingung der Magnetflusskompensation beim Überfahren zerstört wird, so dass eine endliche Messspannung bzw. ein endliches Ausgangssignal S2 resultiert. Da die anderen Empfangsspulen keine Ausgangsspannung liefern, entspricht das Summensignal ZSi diesem Signal S2.
Bei den Ausführungsbeispielen werden die Leiterabschnitte der Erregeranordnung und die Windungen der Empfängerspule jeweils durch Leiterbahnen gebildet, die mit Mitteln der Leiter- platten-Technologie z.B. durch Drucken oder eine andere Beschichtungstechnik erzeugt werden. Es ist auch möglich, die Wirbelstromsonden mit aus Draht gewickelten Spulen oder Leiteranordnungen aufzubauen. Es kann sich um eine relativ starre bzw. biegesteife Anordnung von Leitern handeln. Es ist auch möglich, die Wirbelstromsonde als flexible bzw. biegsame Wirbelstromsonde aufzubauen, die sich an unterschiedliche Oberflächenkonturen von Prüflingen anpassen kann.

Claims

Patentansprüche
1 . Wirbelstromsonde mit:
einer Erregeranordnung (1 10) mit mindestens einem elektrischen Leiter, der zum Anschluss an eine Wechselspannungsquelle (120) vorgesehen ist; und
einer Empfängeranordnung mit mindestens einer von der Erregeranordnung gesonderten Emp- fängerspule (140), die eine oder mehrere Windungen aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erregeranordnung einen Erregerabschnitt (1 15) aufweist, in welchem ein Leiterabschnitt oder mehrere Leiterabschnitte (1 10-1 A, 1 10-2A) derart verlaufen, dass durch den Leiterabschnitt oder die Leiterabschnitte des Erregerabschnitts bei Anschluss an eine Wechselspan- nungsquelle ein primäres magnetisches Wechselfeld (PF) mit um den Erregerabschnitt herum verlaufenden magnetischen Feldlinien (FL) erzeugt wird; und
die Empfängerspule (140) in Bezug auf den Erregerabschnitt (1 15) derart angeordnet ist, dass die Empfängerspule vom primären magnetischen Wechselfeld des Erregerabschnitts derart symmetrisch durchsetzt wird, dass eine zeitliche Änderung des magnetischen Flusses φ des primären magnetischen Wechselfeldes durch die Empfängerspule im Wesentlichen verschwindet.
2. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Empfängerspule (140) eine Empfängerspulenachse (144) und eine senkrecht zur Empfängerspulenachse ori- entierte Empfängerspulenebene (142) sowie eine senkrecht zur Empfängerspulenebene orientierte Symmetrieebene (145) definiert, und der Leiterabschnitt oder die Leiterabschnitte des Erregerabschnitts (1 15) symmetrisch zu der Symmetrieebene parallel zu der Empfängerspulenebene verlaufen.
3. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregeranordnung (1 10) einen geradlinigen Erregerabschnitt (1 15) aufweist, in welchem ein geradliniger Leiterabschnitt oder mehrere zueinander parallele geradlinige Leiterabschnitte (1 10-1 A, 1 10-2A) verlaufen, wobei vorzugsweise der Erregerabschnitt (1 15) senkrecht zur Empfängerspulenachse mittig diagonal über die Empfängerspule (130) verläuft.
4. Wirbelstromsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregeranordnung (1 10) eine erste Erregerspule (1 10-1 ) mit einer oder mehreren ersten Windungen und eine zweite Erregerspule (1 10-2) mit einer oder mehreren zweiten Windungen aufweist, dass die Windungen der ersten und der zweiten Erregerspule spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieebene (145) der Empfängerspule angeordnet sind und dass bei An- schluss an die Wechselspannungsquelle diese Windungen elektrisch spiegelsymmetrisch geschaltet sind.
5. Wirbelstromsonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Erregerspule (1 10-1 ) einen der zweiten Erregerspule (1 10-2) zugewandten inneren Leiterabschnitt (1 10-1 A) und einen entfernt von der zweiten Erregerspule angeordneten äußeren Leiterabschnitt (1 10-1 B) aufweist und dass die zweite Erregerspule (1 10-2) einen der ersten Erregerspule (1 10-1 ) zugewandten inneren Leiterabschnitt (1 10-2A) und einen entfernt von der ersten Erregerspule angeordneten äußeren Leiterabschnitt (1 10-2B) aufweist, wobei die inneren Leiterabschnitte (1 10— 1 A, 1 10-2A) den Erregerabschnitt (1 15) bilden und bei Anschluss der Erre- geranordnung an die Wechselspannungsquelle (120) gleichsinnig von Strom durchlaufen werden und die äußeren Leiterabschnitte gleichsinnig miteinander und gegensinnig zu den inneren Leiterabschnitten von Strom durchlaufen werden.
6. Wirbelstromsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass die Empfängeranordnung (910) eine Empfängerspulen-Reihe (940) mit zwei oder mehr Empfängerspulen (940A - 954D) aufweist, die derart angeordnet sind, dass jede der Empfängerspulen in Bezug auf den Erregerabschnitt (915) derart angeordnet ist, dass die Empfängerspule vom primären magnetischen Wechselfeld des Erregerabschnitts derart symmetrisch durchsetzt wird, dass eine zeitliche Änderung des magnetischen Flusses φ des pri- mären magnetischen Wechselfeldes durch die Empfängerspule im Wesentlichen verschwindet.
7. Wirbelstromsonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerspulen der Empfängerspulen-Reihe (940) elektrisch in Reihe geschaltet sind, so dass durch die Empfängerspulen-Reihe ein Summensignal erzeugbar ist, welches sich aus einer Addition von Spannungen oder Spannungsanteilen ergibt, die in den einzelnen Empfängerspulen induziert werden.
8. Wirbelstrom-Prüfgerät (200) mit einer Versorgungs- und Auswerteeinheit (190), die eine Wechselspannungsquelle (120) und eine Auswerteeinrichtung (180) aufweist, sowie mit min- destens einer Wirbelstromsonde (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erregeranordnung (1 10) der Wirbelstromsonde an die Wechselspannungsquelle (120) und die Empfängeranordnung (130) der Wirbelstromsonde an die Auswerteeinrichtung (180) angeschlossen ist.
9. Wirbelstrom-Prüfgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Erregeranordnung (910) zwei oder mehr Empfängerspulen (940A - 940D) zugeordnet sind, die ein Emp- fängerspulen-Array bilden, insbesondere in Form einer geradlinigen Empfängerspulen-Reihe (940).
10. Wirbelstrom-Prüfgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Emp- fängerspulen (940A - 940D) an einen Kanal einer Empfängerspulen-Verbindungseinrichtung
(985) angeschlossen ist, die dafür konfiguriert ist, Ausgangssignale der einzelnen Empfängerspulen in getrennten Kanälen aufzunehmen und der Auswerteeinrichtung (980) zuzuführen.
1 1 . Wirbelstrom-Prüfgerät nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung so konfiguriert ist, dass sie in einem Auswertungsmodus betreibbar ist, der ein Summensignal ermittelt, indem Ausgangssignale von mindestens zwei Empfängerspulen mittels einer Additionsoperation addiert werden, wobei vorzugsweise die Ausgangssignale aller Empfängerspulen eines Empfängerspulen-Arrays synchron addiert werden.
12. Wirbelstrom-Prüfgerät nach Anspruch 9, 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung konfiguriert ist, in einem Auswertungsmodus die Ausgangssignale jeder einzelnen der Empfängerspulen (940A - 940D) separat zu verarbeiten und der Position der jeweiligen Empfängerspule in dem Empfängerspulen-Array zuzuordnen.
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