WO2004005912A2 - Verfahren zum erkennen und lokalisieren von materialfehlern mit abgleich von mess- und erregerspule - Google Patents

Verfahren zum erkennen und lokalisieren von materialfehlern mit abgleich von mess- und erregerspule Download PDF

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    • 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
    • G01N27/902—Arrangements for scanning by moving the sensors

Definitions

  • the present invention relates to a method for the detection and localization of material defects, in particular for longitudinal crack, longitudinal depth defect and point defect detection, wherein at least one excitation coil and at least one measuring coil interact with a material by means of eddy current testing.
  • the excitation coil and the measuring coil can be the same coil.
  • a continuous coil for example, is used to check a material to be tested, such as wires, rods, tubes, which is designed as a semi-finished product, for local cracks and hole-like defects.
  • a non-destructive measurement is carried out using the eddy current method, which can be integrated into manufacturing processes.
  • the material is usually replaced by a Continuous coil moves, and during the movement the material defects are localized by eddy current measurement.
  • Another method shows that the surface of a material is scanned using eddy current probes.
  • Moving or rotating sensors or probes are also known which move over a material in order to detect corresponding material defects.
  • a disadvantage of conventional methods is that they are extremely complex in terms of equipment, in particular as far as so-called rotating probes are concerned. In most cases, conventional systems can also be installed in large volumes and therefore cannot be used everywhere.
  • the present invention has for its object to provide a method of the type mentioned, which eliminates the disadvantages mentioned and with which an effective measuring method is created in a simple and inexpensive manner, which material defects even at high production speeds, integrated in the manufacturing process, for example as Detects and localizes longitudinal cracks, as longitudinal depth cracks and / or as point defects.
  • the solution to this problem is that a signal from the measuring coil and a signal from the excitation coil are compared with one another.
  • an excitation coil and at least one measuring coil are preferably combined in a single coil or probe, the signals from the measuring coil and excitation coil, which is connected to a voltage or current source, being compared with one another in a subtractor and / or adder , if there is no test material in the arrangement of the excitation coil and the measuring coil. Possibly. Before the signals from the excitation coil and the measuring coil are compared, these signals can be amplified to the same amplitude and / or brought to the same phase by means of a phase shifter.
  • the subtractor and / or adder results in a measurement signal equal to zero or approximately zero if no material is in the effective range of the excitation and / or measurement coil.
  • a digital signal processor takes over these tasks instead of subtractors and / or adders, possibly amplifiers or differential amplifiers and phase shifters and measuring amplifiers. It has also proven to be advantageous to transfer this resulting signal, which is evaluated, for example, in any evaluation unit for the detection and localization of the measurement errors, to a measuring device which again compares this measurement signal with another or the same comparison signal in the manner described above.
  • the comparison signal can be, for example, an excitation voltage of the excitation coil or even a voltage of the measuring coil from the first stage, the second stage or a second adjustment taking place in the measuring device. In this way, even more sensitive measurement results can be achieved, so that material errors can be localized and recognized by means of the low measurement frequencies, which enables very high measurement depths.
  • low or low measurement frequencies can be used to detect internal or deep-seated defects or structural changes.
  • FIG. 1 shows a schematically illustrated top view of a first stage of a sequence of the measurement method according to the invention
  • Figure 2 is a schematic plan view of a second stage of the measuring method according to the invention, in the measuring device.
  • an excitation coil 1 which is only indicated here, is connected to a voltage source 2 in a measuring method for recognizing and localizing material errors, such as longitudinal cracks, longitudinal depth errors and point errors, whereby it should also be within the scope of the present invention to provide a plurality of excitation coils 1 , Several measuring coils and / or excitation coils can also be provided. This should also be within the scope of the present invention.
  • At least one measuring coil 3 is provided, it being within the scope of the present invention that at least one excitation coil 1 and at least one measuring coil 3 form a single component.
  • the material to be tested is moved through the measuring coil 3, or the measuring coil 3 is moved axially along the material or radially around the material, as is not shown here, so that corresponding measuring errors can be detected via the eddy currents that arise , It has proven to be particularly advantageous to carry out an adjustment of the coils, material-specific, diameter-specific, in that the signals Si, S 2 emanating from excitation coil 1 and measuring coil 3 are compared with one another in a subtractor 4 and / or adder 5 in order to obtain a measurement signal S. M to get.
  • an amplifier 6 and / or a phase shifter 7 can be connected upstream of the subtractor 4 or adder 5 to adjust the phase.
  • the subtractor 4 and / or adder 5 results in a measuring signal S m , which can be amplified by a measuring amplifier 8 in order to admit the material defects localize and process it further in a subsequent evaluation unit 9.
  • the comparison of the signals Si, S 2 possibly an amplification of the amplitude and a phase shift and possibly a resulting amplification of the measurement signal S M takes place in a digital signal processor DSP.
  • the signals from excitation coil 1 and measuring coil 3 may be digitized in the input and output area or further processed as an analog output signal.
  • the measurement signal S M emanating from the first stage I is compared in the subtractor 4 and / or adder 5 with any comparison signal S v used depending on the measurement task, the subtractor 4 possibly being as described above and / or adders 5 one or more amplifiers 6 for amplifying the signals to the same amplitude and / or one or more phase shifters 7 for tuning the same phases of the measurement signal S M and the comparison signal S v are connected upstream, after a comparison of the comparison signal S v and measuring signal S M connects a measuring amplifier 8.
  • a digital signal processor DSP can also be used. It is important here that the measurement signal S M is adjusted again from the first stage I to the second stage II in the measuring device 10 and as a comparison signal S v any signal, for example the exciter output voltage or the exciter input voltage from excitation coil 1 and / or measuring coil 3 or any other component is used to carry out the adjustment.
  • the signals are digitized and can be output in analog or digitized form.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Erkennen und Lokalisieren von Materialfehlern, insbesondere zur Längsriss-, Längstiefenfehler- und Punktfehlererkennung, wobei mittels Wirbelstromprüfung zumindest eine Erregerspule (1) und zumindest eine Messspule (3) mit einem Material zusammenwirken, soll ein Signal (S1) der Messspule (3) and ein Signal (S2) der Erregerspule zueinander abgeglichen werden.

Description

Verfahren zum Erkennen und Lokalisieren von Materialfehlern
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen und Lokalisieren von Materialfehlern, insbesondere zur Längsriss-, Längstiefenfehler- und Punktfehlererkennung, wobei mittels Wirbelstromprüfung zumindest eine Erregerspule und zumindest eine Messspule mit einem Material zusammenwirken. Dabei kann die Erregerspule und die Messspule dieselbe Spule sein.
Bei herkömmlichen Messverfahren wird mittels einer Durchlaufspule bspw. ein als Halbzeug ausgebildetes zu prüfendes Material, wie Drähte, Stangen, Rohre, auf lokale Risse und lochartige Fehlstellen überprüft. Hierzu wird mittels des Wirbelstromverfahrens eine zerstörungsfreie Messung durchgeführt, die sich in Fertigungsprozesse integrieren lässt. Dabei wird meist das Material durch eine Durchlaufspule bewegt, und während des Durchbewegens werden die Materialfehler durch Wirbelstrommessung lokalisiert.
Ein anderes Verfahren zeigt, dass mittels Wirbelstromsonden die Oberfläche eines Materials abgescannt wird.
Es sind auch bewegte bzw. rotierende Sensoren oder Sonden bekannt, die sich über einem Material bewegen, um entsprechende Materialfehler zu erkennen.
Nachteilig ist an herkömmlichen Verfahren, dass diese apparativ äusserst aufwendig sind, insbesondere was sogenannte Rotiersonden betrifft. Zumeist sind auch herkömmliche Systeme sehr grossvolumig einzubauen und daher nicht überall verwendbar.
Derartige Systeme sind jedoch nicht geeignet, um bspw. tiefe oder eingeschlossene Risse zu erkennen, da diese meistens mit relativ hohen Frequenzen arbeiten müssen und somit nur an der Oberfläche prüfen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der Eingangs genannten Art zu schaffen, welches die genannten Nachteile beseitigt und mit welchem auf einfache und kostengünstige Weise ein effektives Messverfahren geschaffen wird, welches Materialfehler auch bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten, eingebunden im Fertigungsprozess, bspw. als Längsrisse, als Längstiefenrisse und/oder als Punktfehler erkennt und lokalisiert.
Zudem soll der Einbau raumsparend erfolgen und Gefügeveränderungen sollen im zu prüfenden Material erkannt werden können. Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass ein Signal der Messspule und ein Signal der Erregerspule zueinander abgeglichen werden.
Bei der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise eine Erregerspule und zumindest eine Messspule in einer einzigen Spule oder Sonde zusammengefasst, wobei die Signale von Messspule und Erregerspule, die an einer Spannungs- bzw. Stromquelle angeschlossen ist, miteinander in einem Subtrahierer und/oder Addierer zueinander abgeglichen werden, wenn kein Prüfmaterial sich in der Anordnung von Erregerspule und Messspule befindet. Ggf. können vor dem Abgleich der Signale von Erregerspule und Messspule diese Signale auf eine gleiche Amplitude verstärkt werden und/oder mittels eines Phasenverschiebers auf eine gleiche Phase gebracht werden.
Es resultiert aus dem Subtrahierer und/oder Addierer ein Messsignal gleich null bzw. annähernd null, wenn kein Material sich im Wirkbereich von Erreger- und/oder Messspule befindet.
Wird die Spule über das Material geschoben, bzw. das Material in die Spule eingeführt oder durchgeführt, so ergibt sich ein exaktes, aus dem Subtrahierer und/oder Addierer resultierendes Signal, welches ggf. in einem Messverstärker verstärkt wird, welches eine absolute genaue Lokalisierung und Erkennung der o. g. Materialfehler zulässt .
Dabei soll auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen, dass anstelle von Subtrahierer und/oder Addierer, ggf. Verstärker bzw. Differenzverstärker und Phasenverschieber sowie Messverstärker ein digitaler Signalprozessor diese Aufgaben übernimmt. Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, dieses resultierende Signal, welches bspw. in einer beliebigen Auswerteinheit zur Erkennung und zur Lokalisierung der Messfehler ausgewertet wird, einem Messgerät zu übergeben, welches dieses Messsignal mit einem weiteren oder demselben Vergleichssignal nochmals in oben beschriebener Weise abgleicht. Dabei kann das Vergleichssignal bspw. eine Erregerspannung der Erregerspule oder sogar eine Spannung der Messspule aus der ersten Stufe sein, wobei im Messgerät die zweite Stufe bzw. ein zweiter Abgleich erfolgt. Auf diese Weise lassen sich noch wesentlich sensiblere Messergebnisse erzielen, so dass mittels der tiefen Messfrequenzen Materialfehler lokalisiert und erkannt werden, was sehr hohe Messtiefen ermöglicht.
Mit diesem Verfahren können tiefe bzw. kleine Messfrequenzen verwendet werden, um innenliegende bzw. tiefliegende Fehler oder Gefügeänderungen zu erkennen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
Figur 1 eine schematisch dargestellte Draufsicht auf eine erste Stufe eines Ablaufes des erfindungsgemässen Messverfahrens;
Figur 2 eine schematisch dargestellte Draufsicht auf eine zweite Stufe des erfindungsgemässen Messverfahrens, im Messgerät .
Gemäss Figur 1 wird bei einem Messverfahren zum Erkennen und Lokalisieren von Materialfehlern, wie bspw. Längsrissen, Längstiefenfehler und Punktfehler eine hier nur angedeutete Erregerspule 1 an eine Spannungsquelle 2 angeschlossen, wobei auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen soll, eine Mehrzahl von Erregerspulen 1 vorzusehen. Es können auch mehrere Messspulen und/oder Erregerspulen vorgesehen sein. Dies soll ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen.
Ferner ist zumindest eine Messspule 3 vorgesehen, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen soll, dass zumindest eine Erregerspule 1 sowie zumindest eine Messspule 3 ein einziges Bauteil bilden.
Damit entsprechende Materialfehler gemessen werden können, wird, wie hier nicht dargestellt, das zu prüfende Material durch die Messspule 3 bewegt oder die Messspule 3 axial entlang des Materials oder radial um das Material herum bewegt, so dass über die entstehenden Wirbelströme entsprechende Messfehler erkannt werden können. Dabei hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, über eine Justierung der Spulen, materialspezifisch, durchmesserspezifisch vorzunehmen, indem die von Erregerspule 1 und Messspule 3 ausgehenden Signale Si, S2 in einem Subtrahierer 4 und/oder Addierer 5 miteinander abgeglichen werden, um ein Messsignal SM zu erhalten.
Über dieses Messsignal SM lässt sich ein Materialfehler, ein Längsriss, ein Tiefenfehler oder ein Punktfehler im Material erkennen. Damit die Messung besonders schnell, zuverlässig und genau erfolgt, hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Erregerspule 1 und die Messspule 3 noch vor dem Einführen des Materials in die Erregerspule 1 und Messspule 3 die Signale Si + S2 gegeneinander abgeglichen werden, so dass entweder als Summe der Signale Si + S2 = SM = 0, oder als Differenz der Signale Si - S2 = SM = 0 resultiert.
Ggf. kann dem Subtrahierer 4 bzw. Addierer 5 ein Verstärker 6 und/oder ein Phasenverschieber 7 zur Abstimmung der Phase vorgeschaltet sein.
Erfolgt anschliessend nach dem Abgleichen der Signale Si, S2 der Erregerspule 1 bzw. Messspule 3 ein Messen, so resultiert aus dem Subtrahierer 4 und/oder Addierer 5 ein Messsignal Sm, welches sich durch einen Messverstärker 8 verstärken lässt, um die Materialfehler zu lokalisieren und in einer ggf. anschliessenden Auswerteeinheit 9 weiter zu verarbeiten.
Dabei soll auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen, dass der Abgleich der Signale Si, S2, ggf. eine Verstärkung der Amplitude und eine Phasenverschiebung sowie ggf. eine resultierende Verstärkung des Messsignales SM in einem digitalen Signalprozessor DSP erfolgt. Dabei soll ebenfalls daran gedacht sein, dass innerhalb des digitalen Signalprozessors DSP die Signale von Erregerspule 1 und Messspule 3 ggf- im Eingangs- und Ausgangsbereich digitalisiert oder als analoges Ausgangssignal weiter verarbeitet werden.
Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, insbesondere an die erste Stufe I eine zweite Stufe II, wie es in Figur 2 angedeutet ist, insbesondere an dem Messverstärker 8 anzuschliessen, wobei das Messignal SM in ein Messgerät 10 eingespeist wird.
Im Messgerät 10 wird in oben beschriebener Weise das von der ersten Stufe I ausgehende Messsignal SM mit einem beliebigen, je nach Messaufgabe verwendeten Vergleichssignal Sv, in einem Subtrahierer 4 und/oder Addierer 5 abgeglichen, wobei ggf. wie oben beschrieben dem Subtrahierer 4 und/oder Addierer 5 ein oder mehrere Verstärker 6 zur Verstärkung der Signale auf eine gleiche Amplitude und/oder ein oder mehrere Phasenverschieber 7 zur Abstimmung der gleichen Phasen des Messsignales SM und des Vergleichsignales Sv vorgeschaltet sind, wobei nach einem Abgleich von Vergleichssignal Sv und Messsignal SM ein Messverstärker 8 anschliesst.
In oben beschriebener Weise kann anstelle von Verstärker 6 Phasenverschieber 7, Messverstärker 8 sowie Subtrahierer 4 und/oder Addierer 5 auch ein digitaler Signalprozessor DSP eingesetzt sein. Wichtig ist hier, dass das Messsignal SM aus der ersten Stufe I in die zweite Stufe II im Messgerät 10 nochmals abgeglichen wird und als Vergleichssignal Sv ein beliebiges Signal, bspw. die Erregerausgangsspannung oder die Erregereingangsspannung von Erregerspule 1 und/oder Messspule 3 oder eines beliebigen anderen Bauteiles zur Durchführung des Abgleiches genommen wird. Auch hier sei daran gedacht, dass innerhalb des digitalen Signalprozessors DSP die Signale digitalisiert werden und analog oder digitalisiert ausgegeben werden können.
DR. PETER WEISS & DIPL.-ING. A. BRECHT
Patentanwälte
European Patent Attorney
Aktenzeichen: P 2835/PCT Datum: 18.06.03 B/S/HÜ
Positionszahlenliste
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Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erkennen und Lokalisieren von Materialfehlern, insbesondere zur Längsriss-, Längstiefenfehler- und Punktfehlererkennung, wobei mittels Wirbelstromprüfung zumindest eine Erregerspule (1) und zumindest eine Messspule (3) mit einem Material zusammenwirken,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Signal (Si) der Messspule (3) und ein Signal (S2) der Erregerspule (1) zueinander abgeglichen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Signal (Si, S2) die jeweiligen Spannungen oder Ströme von Erregerspule (1) und Messspule (3) gemessen und miteinander abgeglichen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale (Si, S2) vor dem Einführen von Material in Erregerspule (1) und/oder Messspule (3), insbesondere in Luft miteinander abgeglichen werden, so dass die Summe der beiden Signale (Si, S2) als Messsignal (SM) 0 ergibt.
4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abgleichen der Signale
(Si, S2) zumindest eine Verstärkung der Signale (Si, S2) in einem Verstärker (6) auf eine gleiche Amplitude erfolgt.
5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Abgleich der Signale (Si, S2) zumindest in einem Phasenverschieber (7) eine Phasenverschiebung, insbesondere eine Abstimmung auf gleiche Phasen der beiden Signale (Si, S2) erfolgt.
6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abgleichen der Signale (Si, S2) eine Messung des Materials erfolgt, wobei ggf. das Messsignal (SM) verstärkt wird.
7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgleich der Signale (Si, S2) zwischen Erregerspule (1) und Messspule (3), sowie ggf. eine Verstärkung und ggf. eine Phasenverschiebung in einer ersten Stufe (I) in einem digitalen Signalprozessor (DSP) erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale (Si, S2) im digitalen Signalprozessor (DSP) digital umgewandelt werden und als Ausgangssignal digital oder anlog aus dem digitalen Signalprozessor (DSP) ausgegeben werden.
9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass über zumindest einen Temperatursensor eine Temperatur von Mess- und/oder Erregerspule (1, 3) erfasst wird und eine Temperaturkompensation der Signale (Si und/oder S2) und/oder des Messsignals (SM) erfolgt.
10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal (SM) , als resultierendes Messsignal (SM) der Signale (Si und S2) an ein Messgerät (10) weitergegeben wird, wobei im Messgerät (10) das Messsignal (SM) mit einem beliebigen Vergleichssignal (Sv) der Erregerspule (1) und/oder Messspule (3), insbesondere Spannung oder Strom der Erregerspule (1) oder Spannung oder Strom der Messspule (3) abgeglichen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abgleichen des Messsignales (SM) mit einem beliebigen Signal von Messspule (3) und/oder Erregerspule
(1) eine Verstärkung in einem Verstärker (6) auf gleiche
Amplituden und/oder eine Abstimmung auf gleiche Phasen in einem Phasenverschieber (7) erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abgleich des Messsignales eine Verstärkung erfolgt.
13; Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleich des Messsignales (SM) , ggf. die Verstärkung im Verstärker (6), ggf. die Abstimmung der Phasen im Phasenverschieber (7) und ggf. eine anschliessende Verstärkung des resultierenden Messsignals (SM) in einem Verstärker (6), einem Phasenverschieber (7), einem Subtrahierer (4) und/oder - addierer (5) und einem daran anschliessenden Verstärker (6) erfolgt, oder in einem digitalen Signalprozessor (DSP) durchgeführt wird.
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