WO2007022751A1 - Verfahren und anordnung zur zerstörungsfreien prüfung - Google Patents

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WO2007022751A1
WO2007022751A1 PCT/DE2006/001417 DE2006001417W WO2007022751A1 WO 2007022751 A1 WO2007022751 A1 WO 2007022751A1 DE 2006001417 W DE2006001417 W DE 2006001417W WO 2007022751 A1 WO2007022751 A1 WO 2007022751A1
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Inventor
Johann Hinken
Dirk Beilken
Original Assignee
Hochschule Magdeburg-Stendal (Fh)
Esa Patentverwertungsagentur Sachsen-Anhalt Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G01N22/02—Investigating the presence of flaws

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for nondestructive testing of workpieces.
  • the method is particularly suitable for defectoscopy on non-metallic workpieces.
  • the standard non-destructive test procedure involves material testing with eddy currents using eddy current frequencies in the range of 10 Hz to 10 MHz. With this technique, some types of defects in metal workpieces can be easily determined. However, in today's technology, metallic materials are increasingly being replaced by fiber composites. If these materials are present in precisely machined and monolithically shaped workpieces, ultrasound defectoscopy is often suitable for their testing. However, in less precise workpieces and in combination with wood, metal and foams, ultrasonic defectoscopy and other standard non-destructive testing methods fail.
  • microwave-based test methods using frequencies above 1 GHz are suitable.
  • the object of the invention is therefore to develop a method and a device for nondestructive microwave-based testing, which have a result representation that is easy to interpret for material testers with experience in the standard techniques of nondestructive testing.
  • the evaluation effort for the detection of workpiece defects should be significantly reduced and a very cost-effective detection solution for the defects developed.
  • the invention now provides that this type of measuring point representation is also used for microwave-assisted non-destructive testing.
  • a high-frequency transmission signal in the frequency range of eddy current defectoscopy is transformed into a signal in the frequency range of microwave defectoscopy.
  • this signal is supplied to the workpiece to be tested, after which in a further method step the signal reflected by the workpiece or transmitted through the workpiece is detected.
  • This signal which has been modified by the nature of the workpiece in characteristic parameters, is transformed in further method steps to a frequency in the frequency range of the eddy current defectoscopy and supplied to an eddy current test device for display.
  • the method described is thus applicable not only for a reflection measurement, but also for the transmission measurement in the microwave range.
  • the inventive method for non-destructive testing can advantageously be carried out with a likewise inventive arrangement:
  • a conventional eddy current testing device with a ballast for frequency transformation of the transmitted or the reflected signal as an evaluation and display device.
  • the arrangement comprises the components Wirbelstromprüf réelle 1 with display 2, microwave oscillator 3, power divider 4, hybrid 5, Einashband- mixer 6, mixer 7, circulator 8 and waveguide antenna 9, while a workpiece 10 is the subject of the de Stammoskopischen investigation ,
  • microwave oscillator 3, power divider 4, hybrid 5, single sideband mixer 6, mixer 7 and circulator 8 form a ballast V for the Wirbelstromprüf réelle first
  • This ballast V first sets the transmission frequency of the eddy current testing device 1 of e.g. 10 MHz into a microwave frequency of e.g. 10 GHz around. This can be done as upward mixing in the manner of the single-sideband modulation with the phase method.
  • the microwave signal hits the workpiece 10, as is customary in non-destructive testing with microwaves, and is reflected depending on the condition.
  • the reflected signal is changed with respect to the incident signal in magnitude and phase or in real and imaginary parts. By downconverting this measurement signal is mixed back to the output frequency of the eddy current meter 1 and fed into the input channel.
  • the ballast V for the eddy current measuring device 1 acts like a conventional test probe.
  • the raw-meal results may be further processed in a conventional manner, e.g. filtered, and then placed on the display 2 of the eddy current meter 1 for display.
  • ballast V is only one of several possible -
  • the selected arrangement of the embodiment is to be understood as an advantageous embodiment of the invention - further implementations of the ballast V are conceivable and possible, without that the claim range of the invention is abandoned.
  • ballast V The combination of ballast V and commercially available eddy current meter 1 is inexpensive.
  • the inhibition threshold for the use of microwave assisted non-destructive testing is significantly reduced by linking with the display mode of the known wirestream based nondestructive testing - a potentially broader user base for microwave assisted non-destructive testing can be achieved.
  • the invention Since, as already mentioned, not only a reflection measurement but also a transmission measurement is possible by the claimed method, the invention has a wide range of applications in the defectoscopy of various materials.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstoffen, insbesondere nichtmetallischen Werkstücken. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt ein hochfrequentes Sendesignal im Frequenzbereich der Wirbelstromdefektoskopie in ein Signal im Frequenzbereich der Mikrowellendefektoskopie transformiert und in einem folgenden Verfahrensschritt dieses Signal dem zu prüfenden Werkstück zugeführt, wonach in einem weiteren Verfahrensschritt das vom Werkstück reflektierte oder durch das Werkstück transmittierte Signal erfasst und in einem weiteren Verfahrensschritt dieses durch die Werkstückbeschaffenheit in charakteristischen Parametern veränderte Signal auf eine Frequenz im Frequenzbereich der Wirbelstromdefektoskopie transformiert und schließlich einem Wirbelstromprüfgerät zur Anzeige zugeführt wird. Bei der Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung ist ein Wirbelstromprüfgerät als Auswerte- und Anzeigegerät mit einem Vorschaltgerät zur Frequenztransformation des gesendeten bzw. des reflektierten Signals verbunden.

Description

Verfahren und Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken. Das Verfahren ist insbesondere zur Defektoskopie an nicht- metallischen Werkstücken geeignet.
Zu den Standardverfahren der zerstörungsfreien Prüfung gehört zunächst die Werkstoffprüfung mit Wirbelströmen unter Verwendung von Wirbelstromfrequenzen im Bereich von 10 Hz bis 10 MHz. Mit dieser Technik können einige Defektarten in me- tallischen Werkstücken gut ermittelt werden. Jedoch werden in der heutigen Technik metallische Werkstoffe zunehmend durch Faserverbundwerkstoffe ersetzt. Wenn diese Werkstoffe in präzise verarbeiteten und monolithisch gestalteten Werkstücken vorliegen, eignet sich zu ihrer Prüfung häufig die Ultraschall-Defektoskopie. Bei weniger präzise gefertigten Werkstücken und in Verbindung mit Holz, Metall und Schaumstoffen versagen jedoch die Ultraschall-Defektoskopie sowie weitere Standardverfahren der zerstörungsfreien Prüfung.
Für Glasfaser- und Naturfaserverbundwerkstoffe eignen sich jedoch mikrowellengestützte Prüfverfahren, bei denen Frequenzen oberhalb 1 GHz verwendet werden.
Diese Messverfahren sind derzeit Gegenstand weltweiter Forschungen in unterschiedlichsten Forschungseinrichtungen. Entsprechend verschieden erfolgt die Ergebnisdarstellung bei den einzelnen Lösungen.
Der beschriebene Stand der Technik spiegelt sich zum Beispiel wieder in den Arbeiten von R. Zoughi: A Brief Review of Microwave Testing of Ratified Composite Structures, Materials Evaluation, February 2002, pp. 171-177 und O. Buyukozturk, J. Park & C. Au: Non-Destructive Evaluation of FRP-Confined Concrete Using Micro- waves, DGZfP, International Symposium Non-Destructive Testing in Civil Enginee- ring 2003. Aus der Vielfalt unterschiedlicher Lösungen der Mikrowellen-Defektoskopie ergibt sich als entscheidender Nachteil die schlechte Vergleichbarkeit auf unterschiedlichen Wegen gewonnener Messdaten.
Hinzu kommt als weiterer Nachteil die bereits an sich schwierige Interpretation der Messergebnisse und der damit verbundene erhöhte Auswerteaufwand.
Dadurch entsteht als zusätzlicher Nachteil eine hohe Akzeptanzschwelle für die mikrowellengestützte zerstörungsfreie Prüfung in der Industrie.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Anordnung zur zerstörungsfreien mikrowellengestützte Prüfung zu entwickeln, die eine Ergebnisdarstellung besitzen, die für Werkstoffprüfer mit Erfahrung in den Standardtechniken der zerstörungsfreien Prüfung leicht zu interpretieren ist. Außerdem soll der Auswerte- aufwand zur Feststellung von Werkstückdefekten deutlich verringert und eine sehr kostengünstige Erfassungslösung für die Defekte entwickelt werden.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung gelöst, welches die Verfahrensschritte entsprechend des Verfahrensanspru- ches aufweist.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine erfindungsgemäße Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung, welche die Merkmale entsprechend des Anordnungshauptanspruches aufweist und die gemäß dem Anordnungs-Unteranspruch weiter aus- gestaltet ist.
Das Wesen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung liegt in der Nutzung der Verwandtschaft der Untersuchungsprinzipien von Wirbelstrom- und Mikrowellenerfassung von Defekten.
Es wurde gefunden, dass sich auf überraschend einfache Weise die vorteilhafte Arbeitsweise der mikrowellenbasierten Werkstoffprüfung mit der gut bekannten und anerkannten Messwertdarstellung der Wirbelstromprüfung verbinden lässt. Beide Verfahren nutzen elektromagnetische Schwingungen, wenn auch unterschiedlicher Frequenz. Bei der Wirbelstromprüfung als Standardverfahren der zerstörungsfreien Prüfung wird bei einer konstanten Betriebsfrequenz das Messergebnis für eine Impedanz in der komplexen Ebene mit Real- und Imaginärteil dargestellt. Der Messpunkt vollführt bei der Bewegung der Prüfsonde über einen Defekt hinweg in der komplexen Ebene charakteristische Kurvenbewegungen, aus denen der Experte auf die Art des Defektes schließen kann.
Die Erfindung sieht nun vor, dass diese Art der Messpunkt-Darstellung auch für die mikrowellengestützte zerstörungsfreie Prüfung angewendet wird.
Gemäß den Merkmalen des Verfahrensanspruchs wird im ersten Verfahrensschritt ein hochfrequentes Sendesignal im Frequenzbereich der Wirbelstromdefektoskopie in ein Signal im Frequenzbereich der Mikrowellendefektoskopie transformiert. In einem folgenden Verfahrensschritt wird dieses Signal dem zu prüfenden Werkstück zugeführt, wonach in einem weiteren Verfahrensschritt das vom Werkstück reflektierte oder durch das Werkstück transmittierte Signal erfasst wird. Dieses durch die Werkstückbeschaffenheit in charakteristischen Parametern veränderte Signal wird in weiteren Verfahrensschritten auf eine Frequenz im Frequenzbereich der Wirbelstromdefektoskopie transformiert und einem Wirbelstromprüfgerät zur Anzeige zugeführt.
Das beschriebene Verfahren ist also nicht nur für eine Reflektionsmessung, sondern auch für die Transmissionsmessung im Mikrowellenbereich anwendbar.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung kann vorteilhaft mit einer ebenfalls erfinderischen Anordnung erfolgen: Hierzu wird vorgeschlagen, als Auswerte- und Anzeigegerät ein herkömmliches Wirbelstromprüf- gerät mit einem Vorschaltgerät zur Frequenztransformation des gesendeten bzw. des reflektierten Signals zu verbinden.
Die Erfindungen werden nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei zeigt die zugehörige Zeichnung eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung.
Gemäß Zeichnung weist die Anordnung die Bestandteile Wirbelstromprüfgerät 1 mit Display 2, Mikrowellen-Oszillator 3, Leistungsteiler 4, Hybrid 5, Einseitenband- Mischer 6, Mischer 7, Zirkulator 8 sowie Hohlleiter-Antenne 9 auf, während ein Werkstück 10 Gegenstand der defektoskopischen Untersuchung ist. Dabei bilden Mikrowellen-Oszillator 3, Leistungsteiler 4, Hybrid 5, Einseitenband-Mischer 6, Mischer 7 sowie Zirkulator 8 ein Vorschaltgerät V für das Wirbelstromprüfgerät 1.
Im dargestellten Display 2 des Wirbelstromprüfgerätes 1 ist eine typische Defektanzeige zu sehen.
Dieses Vorschaltgerät V setzt zunächst die Sendefrequenz des Wirbelstromprüfgerätes 1 von z.B. 10 MHz in eine Mikrowellenfrequenz von z.B. 10 GHz um. Das kann als Aufwärtsmischung nach Art der Einseitenbandmodulation mit der Phasenmethode erfolgen. Das Mikrowellensignal trifft dann, wie bei der zerstörungsfreien Prüfung mit Mikrowellen üblich, auf das Werkstück 10 und wird je nach Beschaffenheit reflek- tiert. Das reflektierte Signal ist gegenüber dem einfallenden Signal nach Betrag und Phase bzw. nach Real- und Imaginärteil verändert. Durch Abwärtsmischung wird dieses Messsignal wieder auf die Ausgangsfrequenz des Wirbelstrommessgerätes 1 zurückgemischt und in dessen Eingangskanal eingespeist. Damit wirkt das Vorschaltgerät V für das Wirbelstrommessgerät 1 wie eine herkömmliche Prüfsonde.
Die Rohmessergebnisse können in herkömmlicher Weise weiter verarbeitet, z.B. gefiltert, werden und dann auf dem Display 2 des Wirbelstrommessgerätes 1 zur Anzeige gebracht werden.
Die im Ausführungsbeispiel beschriebene Realisierung des Vorschaltgerätes V stellt nur eine von mehreren möglichen dar - Die gewählte Anordnung des Ausführungsbeispiels ist als eine vorteilhafte Ausgestaltung für die Erfindung zu verstehen - weitere Realisierungen des Vorschaltgerätes V sind denkbar und möglich, ohne dass das der Anspruchsbereich der Erfindung verlassen wird.
Als besondere Vorteile der Erfindung können gelten:
Die Kombination von Vorschaltgerät V und handelsüblichem Wirbelstrommessgerät 1 ist preisgünstig.
Für einen erfahrenen Wirbelstromprüfer wird es einfach sein, die individuellen Signaturen von mikrowellengeprüften Defekten zu erkennen und voneinander zu trennen.
Die Hemmschwelle zur Anwendung der mikrowellengestützten zerstörungsfreien Prüfung wird durch Verknüpfung mit dem Darstellungsmodus der bekannten wir- belstrombasierten zerstörungsfreien Prüfung erheblich reduziert - ein potentiell breiterer Anwenderkreis für die mikrowellengestützte zerstörungsfreie Prüfung kann erreicht werden.
Da durch das beanspruchte Verfahren, wie bereits erwähnt, nicht nur eine Reflekti- onsmessung, sondern auch eine Transmissionsmessung möglich ist, besitzt die Erfindung einen breiten Anwendungsbereich in der Defektoskopie diverser Werkstoffe.
Verzeichnis der Bezugs- und Formelzeichen zur Patentanmeldung „Verfahren und Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung"
Wirbelstromprüfgerät 1
Display 2
Mikrowellen-Oszillator 3
Leistungsteiler 4
Hybrid 5
Einseitenband-Mischer 6
Mischer 7
Zirkulator 8
Hohlleiter-Antenne 9
Werkstück 10

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung, bei welchem in einem
1.1. ersten Verfahrensschritt ein hochfrequentes Sendesignal im Frequenzbe- reich der Wirbelstromdefektoskopie in ein Signal im Frequenzbereich der
Mikrowellendefektoskopie transformiert,
1.2. und in einem folgenden Verfahrensschritt dieses Signal dem zu prüfenden Werkstück (10) zugeführt,
1.3. wonach in einem weiteren Verfahrensschritt das vom Werkstück (10) re- flektierte oder durch das Werkstück (10) transmittierte Signal erfasst
1.4. und in einem weiteren Verfahrensschritt dieses durch die Werkstückbeschaffenheit in charakteristischen Parametern veränderte Signal auf eine Frequenz im Frequenzbereich der Wirbelstromdefektoskopie transformiert und 1.5. schließlich einem Wirbelstromprüfgerät (1) zur Anzeige zugeführt wird.
2. Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung,
2.1. bei welcher als Auswerte- und Anzeigegerät ein Wirbelstromprüfgerät (1) mit 2.2. einem Vorschaltgerät (V) zur Frequenztransformation des gesendeten bzw. des reflektierten Signals verbunden ist.
3. Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung nach Anspruch 2., 3.1. bei welcher das Vorschaltgerät (V) einen 3.2. Mikrowellen-Oszillator (3),
3.3. einen Leistungsteiler (4),
3.4. einen Hybrid (5),
3.5. einen Einseitenband-Mischer (6),
3.6. einen Mischer (7), 3.7. sowie einen Zirkulator (8) aufweist,
3.8. wobei das Mikrowellensignal des Mikrowellen-Oszillators (3) in den Leistungsteiler (4) eingespeist
3.9. und entsprechend geteilt einerseits dem Einseitenband-Mischer (6)
3.10. und andererseits dem Mischer (7) zugeführt ist,
3.11. der Eingang des Hybrid (5) an den Ausgang des Wirbelstromprüfgerätes (1) führt
3.12. und die Ausgänge des Hybrid (5) mit dem Einseitenband-Mischer (6) verbunden sind, 3.13. der Einseitenband-Mischer (6) den Zirkulator (8) speist,
3.14. der seinerseits mit der Hohlleiter-Antenne (9) verbunden ist,
3.15. während der Eingang des Wirbelstromprüfgerätes (1) mit dem Mischer (7) verbunden ist.
Hierzu 1 Seite Zeichnung.
PCT/DE2006/001417 2005-08-26 2006-08-14 Verfahren und anordnung zur zerstörungsfreien prüfung WO2007022751A1 (de)

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