DE1473696C - Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung - Google Patents
Vorrichtung zur zerstörungsfreien WerkstoffprüfungInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zer- abhängt, sondern lediglich von der Dichte des einstörungsfreien
Werkstoffprüfung, bestehend aus einer wirkenden Magnetfeldes, können Hallspannungs-Induktionseinrichtung
zum Erzeugen eines pulsför- generatoren mit sehr geringen Abmessungen vorgemig
oder periodisch sich zeitlich ändernden Magnet- sehen werden, die den Nachweis von flächenmäßig
feldes, das im Prüfling Wirbelströme induziert, die 5 außerordentlich kleinen Magnetfeldanomalien geein
mit den Eigenschaften oder Fehlern des Prüflings statten, d. h. ein hohes Auflösungsvermögen ermögin
Beziehung stehendes Magnetfeld hervorrufen, und liehen. Bei Verwendung eines Hallspannungsgeneraaus
magnetfeldempfindlichen Nachweismitteln für tors treten keinerlei Rückwirkungen auf das Magnetdas
durch die Wirbelströme hervorgerufene Magnet- feld auf, und weiterhin ist das Ausgangssignal eines
feld. ίο Hallspannungsgenerators unabhängig von der Fre-
Es sind bereits Vorrichtungen der vorgenannten quenz des nachzuweisenden Magnetfeldes, so daß mit
Art bekannt, bei denen als Nachweismittel für das der Vorrichtung nach der Erfindung einwandfreie
durch die induzierten Wirbelströme hervorgerufene genaue Absolutmessungen ohne aufwendige Eichver-Magnetfeld
eine Spule vorgesehen ist. Dabei kann fahren durchgeführt werden können,
die zum Induzieren der Wirbelströme im Prüfling 15 Die Erfindung wird nun näher an Hand von Zeichvorgesehene Induktionsspule gleichzeitig als Nach- nungen erläutert.
die zum Induzieren der Wirbelströme im Prüfling 15 Die Erfindung wird nun näher an Hand von Zeichvorgesehene Induktionsspule gleichzeitig als Nach- nungen erläutert.
weisspule verwendet werden, oder es können aber Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung einer die
innerhalb der Induktionsspule eine oder mehrere Erfindung verkörpernden Prüfvorrichtung einschließ-
Nachweisspulen angeordnet sein. Bei diesem bekann- Hch der grundsätzlichen Arbeitselemente und einer
ten, nach dem Wirbelstromverfahren arbeitenden 20 Darstellung der prinzipiellen Arbeitsweise;
Vorrichtungen zur zerstörungsfreien Werkstoffprü- F i g. 2 ist eine Ansicht der Stromwege und des
fung bewirken Veränderungen des Prüflings Ände- Felddetektors, wobei die in F i g. 1 gezeigte prinzi-
rungen des Scheinwiderstandes der Nachweisspule. pielle Arbeitsweise noch weiter dargestellt wird;
Diese Scheinwiderstandsänderungen werden festge- F i g. 3 ist die Ansicht eines durch die Mitte der
• stellt, und aus ihrer Größe und Richtung lassen sich 25 Meßsonde geführten Schnittes;
Rückschlüsse auf die Veränderungen im Prüfling " F i g. 4 ist das Blockschaltbild einer diese Erfin-
ziehen. Das von einer Nachweisspule gelieferte Aus- dung verkörpernden Grundschaltung, die dem dy-
gangssignal hängt von der Frequenz des nachzuwei- namischen Prüfverfahren angepaßt ist;
senden Magnetfeldes und von der flächenmäßigen F i g. 5 ist die graphische Darstellung der aus der
Ausdehnung der Nachweisspule ab. Der Nachweis 30 Arbeitsweise dieser Vorrichtung hervorgehenden Ma-
von flächenmäßig sehr kleinen Magnetfeldanomalien gnetfeldvektoren;
ist daher mit einer Nachweisspule nur sehr schwer F i g. 6 ist das Blockschaltbild einer alternativen,
möglich, da das Ausgangssignal einer Nachweisspule diese Erfindung verkörpernden Grundschaltung, die
bei abnehmender Spulenfläche geringer wird. Dar- speziell dem statischen, ein Gleichstrommagnetfeld
über hinaus treten auf Grund von Gegeninduktions- 35 verwendenden Prüfverfahren angepaßt ist;
und Selbstinduktionserscheinungen Rückwirkungen Fig. 6a ist die graphische Darstellung der Ma-
auf das nachzuweisende Magnetfeld auf, die sich un- gnetfeldvektoren, die sich aus der Arbeitsweise mit
günstig auf die Meßgenauigkeit auswirken. dem Gleichstrommagnetfeld der Vorrichtung nach
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fig. 6 ergeben;
Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung 40 F i g. 7 ist die Darstellung der Wirbelstromwege,
der eingangs genannten Art derart auszugestalten, die sich bei der Arbeitsweise mit der Vorrichtung zur
daß im Vergleich zu den bekannten, nach dem Wir- Prüfung auf Bruchstellen od. ä. Uneinheitlichkeits-
belstromverfahren arbeitenden Vorrichtungen eine stellen ergeben;
verbesserte Meßgenauigkeit und ein verbessertes Auf- F i g. 8 ist die graphische Darstellung der örter
lösevermögen erzielt wird. 45 der Magnetfeldvektoren, die sich aus der Arbeits-
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrich- weise der Vorrichtung beim Prüfen magnetischer
tung der eingangs genannten Art, die dadurch ge- Materialien ergeben;
kennzeichnet ist, daß die Nachweismittel aus minde- F i g. 9 ist die Ansicht eines durch die Mitte einer
stens einem magnetfeldempfindlichen Halbleiter be- Null-Typ-Meßsonde geführten Schnittes;
stehen. 50 Fig. 10"ist die graphische Darstellung der Magnet-Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem ma- feldvektoren, die sich aus der Arbeitsweise der die gnetfeldempfindlichen Halbleiter um einen Hallspan- Null-Typ-Sonde verwendenden Vorrichtung ernungsgenerator. geben;
stehen. 50 Fig. 10"ist die graphische Darstellung der Magnet-Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem ma- feldvektoren, die sich aus der Arbeitsweise der die gnetfeldempfindlichen Halbleiter um einen Hallspan- Null-Typ-Sonde verwendenden Vorrichtung ernungsgenerator. geben;
Die Verwendung von magnetfeldempfindlichen Fig. 11 ist die graphische Darstellung einer alter-Halbleitern
als Nachweismittel auf dem Gebiet der 55 nativen Sondenkonstruktion, die einen Polarisationszerstörungsfreien
Werkstoffprüfung war zwar bislang effekt erzielen soll;
schon bekannt, aber nur in Verbindung mit den Fig. 12 ist die graphische Darstellung einer anderein
magnetischen Prüfverfahren, wo vornehmlich ren alternativen Sondenkonstruktion, die einen ferrounter
Einwirkung eines statischen Magnetfeldes der magnetischen Kern benutzt;
an Fehlerstellen von Prüflingen verursachte Streufluß 60 Fig. 13 ist das Blockschaltbild einer abgewandelerfaßt
wird, jedoch nicht in Verbindung mit dem Wir- ten Schaltung für eine Prüfvorrichtung mit Wirbelbelstromverfahren.
Die erfindungsgemäße Kombina- strom-Hallelement, das dazu geeignet ist, eine amplition
eines magnetfeldempfindlichen Halbleiters, ins- tudenbezogene Ausgabeinformation zu liefern;
besondere eines Hallgenerators, mit dem Wirbel- F i g. 14 ist das Blockschaltbild einer abgewandel-, stromverfahren ergibt überraschende vorteilhafte 65 ten Schaltung für eine Prüfvorrichtung mit Wirbel-Wirkungen. strom-Hallelement, das dazu geeignet ist, eine fre-
besondere eines Hallgenerators, mit dem Wirbel- F i g. 14 ist das Blockschaltbild einer abgewandel-, stromverfahren ergibt überraschende vorteilhafte 65 ten Schaltung für eine Prüfvorrichtung mit Wirbel-Wirkungen. strom-Hallelement, das dazu geeignet ist, eine fre-
Da das Ausgangssignal eines Hallspannungsgene- quenzbezogene Ausgabeinformation zu liefern,
rators nicht von seiner flächenmäßigen Ausdehnung Die Prüfvorrichtung und das Prüfverfahren dieser
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Erfindung beinhalten ganz allgemein eine elektro- liehen Widerstandselementes sein kann, welches auf
magnetische Induktionsspule, um in magnetisch kop- ein mit ihm elektromagnetisch gekoppeltes Magnetpelnder
Weise mit einem zu prüfenden Material ein feld anspricht. Das im folgenden als Hallelement beMagnetfeld
zu induzieren und in dem zu unter- zeichnete Abfühlgerät 23 ist mit herkömmlichen
suchenden Prüfling oder in einem in bestimmter 5 (nicht gezeigten) Steuerstromanschlüssen versehen,
Weise zur Spule angeordneten Material eine Magne- die mit einer (nicht gezeigten) geeigneten Energietisierung
und einen Wirbelstromfluß hervorzurufen, quelle und Ausgangssignalleitungen verbunden sind,
und sie beinhalten ein magnetfeldempfindliches Halb- Die Ausgangssignalleitungen sind mit einer Detekleitergerät,
das auf das von der Permeabilität des torvorrichtung 24 verbunden, die ein Gauß-Meter
magnetischen Materials oder dem Wirbelstrom oder io sein kann. Somit wird ein mit dem Hallelement 23
beiden gemeinsam herrührende Rückkopplungs- gekoppeltes Magnetfeld ein Ausgangssignal erzeugen,
magnetfeld anspricht. Die Arbeitsweise besteht in das mit dem Feld in Beziehung steht und das durch
erster Linie darin, ein magnetisierendes Feld be- die Detektorvorrichtung 24 in eine geeignete Ausstimmter
Stärke, Frequenz und Gestalt zu erzeugen gabeinformation umgeformt wird. Das magnetische
und dann die Wirkung des zu untersuchenden Prüf- 15 Rückwirkungsfeld Hr hängt mit den Eigenschaften
lings auf das resultierende Rückkopplungsmagnet- des zu untersuchenden Prüflings 20 zusammen, wofeld
auf Grund eines Ausgangssignals aus dem ma- bei der Detektor 24 eine Anzeige dieser Eigenschafgnetfeldempfindlichen
Halbleitergerät zu bestimmen. ten liefert.
In der vorliegenden Erfindung besteht das magnet- Die Spule 21 und ein Hallelement 23 werden vorfeldempfindliche
Halbleitergerät aus einem oder 20 teilhafterweise in einer einzigen Sondenvorrichtung
mehreren Hallelementen oder magnetfeldempfind- 25, so wie es am besten in F i g. 3 dargestellt ist, geliehen
Widerstandselementen, die verwertbare Aus- meinsam untergebracht. Diese Sondenvorrichtung·
gangssignale liefern, welche in einen Ausgangssignal- umfaßt ein längliches, stabiles, rohrförmiges Gehäuse
schaltkreis gegeben werden. Die Auswahl der spe- 26 aus nichtmagnetischem und elektrisch isolierendem
ziellen Elemente ist eine Frage des Aufbaues mit 25 Material, das eine elektromagnetische Induktionsdem
Ziel der optimalen Arbeitsweise der Vorrich- spule 27 und ein Hallelement 28 trägt. Das Gehäuse
tung bei einer bestimmten Stärke des magnetisieren- 26 besitzt zylindrische Form mit einer an einem
den Feldes. Eine geeignete Eichung der Vorrichtung Ende ausgearbeiteten passenden Spulenform 29, in
liefert notwendige quantitative Daten für eine be- die eine bestimmte Anzahl Windungen eines geeigstimmte
Prüfung. 30 neten elektrischen Leiters in Form einer kreisförmi-Die grundsätzliche Arbeitsweise der Prüfvorrich- gen, in einer parallelen Ebene zur Endfläche, des Getung
dieser Erfindung ist in bezug auf einen zu un- häuses liegenden Spule 27 gelegt werden. Indem man
tersuchenden Prüfling 20 in den F i g. 1 und 2 darge- die Spule 27 so nahe am Ende des Gehäuses 26 anstellt.
In diesem Beispiel besteht der zu untersuchende bringt, als dies mechanisch möglich ist, erreicht man
Prüfling 20 aus einer flachen, aus elektrisch leitendem 35 eine optimale Kopplung der Magnetisierspule mit
Material gefertigten Platte, die magnetisch sein kann dem zu untersuchenden Prüfling. Die spezielle Win-
oder nicht und die eine oder mehrere spezielle zu be- dungszahl der Magnetisierspule hängt von der betrachtende
Eigenschaften oder Parameter und Zu- sonderen Anwendung ab und hat die erforderliche
stände besitzt. Eine, wie gezeigt, aus einer oder meh- Größe zur Erreichung der gewünschten Amperewinreren,
in bekannter Weise in planparalleler, kreisför- 4° dungszahl über den Prüffrequenzbereich hinweg, um
miger Form angeordneten Windungen eines elektri- entsprechende Magnetfeldstärken zu erzeugen,
sehen Leiters bestehende elektromagnetische Induk- Das Hallelement liegt axial auf der Mittellinie der tionsspule 21 ist in geringem*Abstand zu dem unter- Spule 27. In der abgebildeten Ausführungsform besuchenden Prüfling angeordnet, wobei die Spule in steht das Hallelement aus einer flachen Platte, die einer zur Oberfläche des zu untersuchenden Prüflings 45 vom Gehäuse 26 in axialer Ausrichtung mit der praktisch parallelen Ebene liegt. Mit der Spule .21 ist Achse der Spule 27 festgehalten wird und sich so eine elektrische Energiequelle 22 verbunden, die ge- nahe, als dies durchführbar ist, an der Endfläche des eignet ist, einen brauchbaren Magnetisierstrom I'm Sondengehäuses befindet. Dadurch gelangt das Hallfür die spezielle Anwendung zu liefern. Für die dar- element 28-in geringem Abstand zur Oberfläche des gestellten Zwecke wird eine Wechselstromenergie- 50 zu untersuchenden Prüflings. Es ist jedoch wünquelle gezeigt und beschrieben, obgleich darauf hin- sehenswert, daß das Hallelement so gehalten oder anzuweisen ist, was sich auch deutlich ergibt, daß der gebracht wird, daß durch eine Berührung der Sonde Magnetisierstrom auch ein anderer als der herkömm- mit dem zu untersuchenden Prüfling keine mechaliche symmetrische, sinusförmige Wechselstrom sein nische Kraft auf diese ausgeübt wird. Eine solche kann, etwa ein Gleichstrom, ein asymmetrischer 55 auf das Hallelement wirkende mechanische Kraft Wechselstrom, eine Impuls-, Rechteck- oder andere würde einen Druckeffekt hervorrufen und eine falsche Wellenform. Die durch den magnetisierenden Wech- Messung bewirken. Falls es notwendig ist, kann eine selstrom erregte Spule 21 erzeugt das als H0 in der geeignete Abdeckung oder eine (nicht gezeigte) Abbildung angedeutete Magnetfeld, das im zu unter- Schutzplatte mit der Endfläche des Gehäuses 26 versuchenden Prüfling fließende Wirbelströme Iec her- 60 bunden werden, um Abnutzung oder Druckausübung vorruft. Dieser Wirbelstrom Iec ist in F i g. 1 symbo- durch Berührung mit dem zu untersuchenden Prüflisch dargestellt und fließt im allgemeinen mit ent- ling zu vermeiden.
sehen Leiters bestehende elektromagnetische Induk- Das Hallelement liegt axial auf der Mittellinie der tionsspule 21 ist in geringem*Abstand zu dem unter- Spule 27. In der abgebildeten Ausführungsform besuchenden Prüfling angeordnet, wobei die Spule in steht das Hallelement aus einer flachen Platte, die einer zur Oberfläche des zu untersuchenden Prüflings 45 vom Gehäuse 26 in axialer Ausrichtung mit der praktisch parallelen Ebene liegt. Mit der Spule .21 ist Achse der Spule 27 festgehalten wird und sich so eine elektrische Energiequelle 22 verbunden, die ge- nahe, als dies durchführbar ist, an der Endfläche des eignet ist, einen brauchbaren Magnetisierstrom I'm Sondengehäuses befindet. Dadurch gelangt das Hallfür die spezielle Anwendung zu liefern. Für die dar- element 28-in geringem Abstand zur Oberfläche des gestellten Zwecke wird eine Wechselstromenergie- 50 zu untersuchenden Prüflings. Es ist jedoch wünquelle gezeigt und beschrieben, obgleich darauf hin- sehenswert, daß das Hallelement so gehalten oder anzuweisen ist, was sich auch deutlich ergibt, daß der gebracht wird, daß durch eine Berührung der Sonde Magnetisierstrom auch ein anderer als der herkömm- mit dem zu untersuchenden Prüfling keine mechaliche symmetrische, sinusförmige Wechselstrom sein nische Kraft auf diese ausgeübt wird. Eine solche kann, etwa ein Gleichstrom, ein asymmetrischer 55 auf das Hallelement wirkende mechanische Kraft Wechselstrom, eine Impuls-, Rechteck- oder andere würde einen Druckeffekt hervorrufen und eine falsche Wellenform. Die durch den magnetisierenden Wech- Messung bewirken. Falls es notwendig ist, kann eine selstrom erregte Spule 21 erzeugt das als H0 in der geeignete Abdeckung oder eine (nicht gezeigte) Abbildung angedeutete Magnetfeld, das im zu unter- Schutzplatte mit der Endfläche des Gehäuses 26 versuchenden Prüfling fließende Wirbelströme Iec her- 60 bunden werden, um Abnutzung oder Druckausübung vorruft. Dieser Wirbelstrom Iec ist in F i g. 1 symbo- durch Berührung mit dem zu untersuchenden Prüflisch dargestellt und fließt im allgemeinen mit ent- ling zu vermeiden.
gegengesetzter Umlaufrichtung als der Magnetisier- Die Sondenvorrichtung 25 wird durch die das
strom /,„ in der Spule 21, wobei er ein als Hr ange- Hallelement 20 und die Magnetisierspule 27 verbin-
deutetes magnetisches Rückwirkungsfeld erzeugt. 65 denden elektrischen Leitungen vervollständigt. Diese
Innerhalb der Spule 21 ist ein magnetfeldempfind- Stromzuführungen umfassen im allgemeinen ein Paar
liches Halbleitergerät 23, das entweder von der Art mit der Spule 27 verbundene Leitungen zum Zufüh-
eines Hallelements oder eines magnetfeldempfind- ren des Magnetisierstromes für das Hallelement 28
und zwei Leitungen für die Hallelement-Ausgangs- die die magnetischen Feldstärkevektoren in der komsignalspannung.
Diese Leitungen sind alle Vorzugs- plexen Η-Ebene wiedergibt, wobei die resultierende
weise in einem einzigen, flexiblen Kabel 26 α zur Ver- magnetische Feldstärke als Hn angedeutet ist. Die
bindung mit den Prüfinstrumenten der Vorrichtung Vektorbeziehungen als Funktion der Frequenz gehen
zusammengefaßt, um ein internes und externes Über- 5 sehr gut aus diesem Diagramm hervor, das auch die
koppeln magnetischer und elektrischer Felder auf ein relativen Vorteile der vorliegenden Vorrichtung über
Mindestmaß herabzusetzen. Eine Anschlußplatte 26 b die dem Stand der Technik entsprechenden Unterkann
im Gehäuse zur Befestigung der Zuleitungs- suchungs- oder Abtastspuleninstrumente aufzeigt. Die
drähte angebracht werden. resultierende magnetische Feldstärke Hn erreicht ein
Bei der Verwendung der Meßsonde 25 können die io Maximum, wenn die Frequenz im Minimum ist. Die
einzelnen Leitungen bezüglich der Wechselstrom- Empfindlichkeit gegenüber Änderungen von Hn ist
energiequelle und der Detektorvorrichtung, wie in jedoch bei tiefen Frequenzen äußerst gering, weil
F i g. 1 angedeutet, geschaltet werden. Das Block- die Größe von Hn nahezu konstant bleibt und daher
schaltbild dieser Grundschaltung ist in F i g. 4 dar- die Zweckmäßigkeit des Prüfens bei niedrigen Fregestellt,
wobei die Sonde 25 mit einem Oszillator 30 15 quenzen hinfällig macht, falls man eine dem Stand
variabler Frequenz zum Betrieb der Magnetisierspule der Technik entsprechende Vorrichtung mit Abverbunden
ist, eine Gleichstromenergieversorgung 31 tastspule benutzt. Diese Einschränkung im Niederden
Steuerstrom Ic für das Hallelement liefert und frequenzarbeitsbereich ist an Hand eines Diagramms
eine Detektorschaltung 32 eine Anzeige des Hall- in F i g. 5 durch die Vektoren Hn' und Hn" dargeelement-Ausgangssignals
bewerkstelligt. Die Sonde 20 stellt. Es ist einzusehen, daß eine gleiche Änderung
25 wird zu Anfang durch ein geeignetes Verfahren pro Einheit der.magnetischen Rückkopplung im Niegeeicht,
um die gewünschte Ausgabeinformation mit derfrequenzbereich eine wesentlich kleinere Ände- ·
einer bestimmten Art eines in einer besonderen rung in der Größe von Hn bewirkt als bei höheren
Prüfanwendung verwendeten Detektors zu erhalten. Frequenzen und daß dabei ein Unterschied zwischen
Im Zusammenhang mit dem zu bestimmenden spezi- 25 zwei Prüfungen nur schwer feststellbar sein wird. In
fischen Parameter oder kennzeichnenden Zustand einem mittleren Arbeitsbereich jedoch bewirkt eine
des zu untersuchenden Prüflings verwendet man zur gleiche Änderung pro Einheit entweder des RückErzeugung
eines Magnetisierungsstromes /m bestimm- Wirkungsfeldes Hr oder der Frequenz eine verhältter
Größe und Frequenz zum Betrieb der Magneti- nismäßig größere Änderung im resultierenden Masierspule
27 einen Oszillator 30 variabler Frequenz. 30 gnetfeld Hn. Im Bereich höherer Frequenzen ergeben
Dieser Magnetisierstrom /m erzeugt ein magnetisie- sich für gleiche Änderungen in der Frequenz oder
rendes Feld H0, das eine räumliche, axial zur Sonde im Rückwirkungsfeld ziemlich große Änderungen
25 gerichtete und auf das Hallelement 28, das eine pro Einheit.
Hallausgangsspannung liefert, wirkende Komponente Es soll anschließend an Hand weiterer Einzelheibesitzt.
Wird die Sonde 25 nicht mit dem zu unter- 35 ten aufgezeigt werden, daß es mit der Vorrichtung
suchenden Prüfling oder einem anderen Körper, der der vorliegenden Erfindung auch möglich ist, das
auf das Magnetfeld wirken könnte, zusammenge- magnetische Rückwirkungsfeld Hr direkt zu messen,
bracht, was der Fall ist, wenn die Sonde vom zu un- was eine deutliche Verbesserung gegenüber der dem
tersuchenden Prüfling entfernt ist, so wird das so Stand der Technik entsprechenden Vorrichtung ist.
erzeugte Magnetfeld H0 eine bestimmte, vom Detek- 40 Die Verwendung eines magnetfeldempfindlichen
tor 32 festgestellte Hallspannung hervorrufen. Bringt Halbleiterelements erlaubt es vorteilhafterweise, das
man anschließend die Meßsonde 25 in geringem Ab- magnetische Rückwirkungsfeld H1. auch im Niederstand
zum zu untersuchenden Prüfling, so wird im frequenzbereich zu messen, weil ein solches Element
Prüfling ein rückwirkendes Magnetfeld oder ein auch auf niederfrequente Magnetfelder anspricht.
Wirb.elstromfluß mit einer von der Frequenz des ma- 45 Die Möglichkeit des Messens eines magnetischen
gnetisierenden Stromes In, abhängigen wirksamen Rückwirkungsfeldes HT in Verbindung mit der Emp-Eindringtiefe
und mit einer zum Magnetisierstrom findlichkeit bei tiefen Frequenzen erlaubt Messunentgegengesetzten
Umlaufrichtung hervorgerufen. Als gen im Niederfrequenzbereich mit einem relativ hohen
Folge dieses Wirbelstromes entsteht ein Rückkopp- Grad an Eindeutigkeit und aus denselben Gründen,
lungsmagnetfeld Hn das allgemein dem Magnetisier- 50 aus denen "bei Messungen des ff „-Feldes im Bereich
feld Hn entgegengerichtet ist und eine in F i g. 5 dar- mittlerer und hoher Frequenzen ein hoher Genauiggestellte
Phasenabweichung aufweist. keitsgrad erzielt wird. Daher ist, wie aus Fig. 5 her-
Dieses magnetische Rückkopplungsfeld Hr wirkt vorgeht, die prozentuale Änderung der Stärke des
auch auf das Hallelement 28 und bewirkt über ein //,.-Feldes auch im Niederfrequenzbereich ziemlich
homogenes, elektrisch leitendes unmagnetisches Ma- 55 groß.
terial eine Verringerung der Hallausgangsspannung. Bei den dem Stand der Technik entsprechenden
, Die Verringerung der Hallausgangsspannung als Geräten des Abtastspulentyps wurde festgestellt, daß
Folge des Rückwirkungsfeldes Hr steht in Zusam- sie in einem begrenzten Arbeitsbereich eine optimale
menhang mit den Parametern oder Kennzeichen des Empfindlichkeit besitzen. Dies ist die Folge der obenzu
prüfenden Materials und kann dementsprechend 60 erwähnten Faktoren. Der Bereich ist im Diagramm
zur Erzeugung einer qualitativen Anzeige der Para- der Fig. 5 zur Veranschaulichung dargestellt und
meter oder Kennzeichen eines bestimmten zu unter- mit A gekennzeichnet. Im Gegensatz zu diesem ziemsuchenden
Prüflings benutzt werden. lieh begrenzten Bereich hat die neuartige Prüfvor-
Dic vektoricllc Summe des magnetisierenden FeI- richtung mittels magnetischer Rückwirkung über
des Hn und des magnetischen Rückkopplungsfcl- 65 einen wesentlich größeren praktischen Arbeitsbereich
des Hr wird durch den Detektor 32 in dieser Grund- hinweg eine verbesserte Empfindlichkeit, was sich
Schaltungsvorrichtung festgestellt. Diese Vektor- mit einer wirtschaftlich ausführbaren Ausrüstung er-
bcziehungcn sind aus der Fig. 5 leicht zu verstehen, reichen läßt und die Folge der über den gesamten
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Frequenzbereich gleichbleibenden Empfindlichkeit tektor notwendigerweise von einer zur Arbeit mit
eines Hallelements ist. Der Ausgangssignalpegel des Gleichstromsignalen geeigneten Art sein müßte. Bei
Hallelements ist von der Frequenz unabhängig und der ein Gleichstrommagnetfeld verwendenden Arhängt
nur von der Stärke des Magnetfeldes ab. Die- beitsweise dieser Schaltung ist im Falle von unser
erweiterte Arbeitsbereich ist in F i g. 5 durch den 5 magnetischen Materialien das magnetische RückPfeil
B gekennzeichnet, und es wurde festgestellt, kopplungsfeld Hr Null und das resultierende Feld Hn
daß sich der Prüfbereich bezüglich niedriger Prüf- gleich dem magnetisierenden Feld H0, was in Fi g. 6 a
frequenzen im wesentlichen bis zur Frequenz Null graphisch dargestellt ist. Bei Verwendung magnetierstreckt.
Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung die- scher Materialien wird das resultierende Feld durch
ser Erfindung gegenüber der dem Stand der Technik io die wirksame Permeabilität des zu prüfenden Mateentsprechenden Vorrichtung ist die ziemlich kleine rials auf den in Fig. 6a gezeigten WertB0 verstärkt,
körperliche Ausdehnung der magnetfeldempfind- Ein spezielles Beispiel für Anwendungen der Priif-
lichen Elemente, die sich bei Verwendung von Halb- vorrichtung dieser Erfindung in der Gestalt der
leitern, beispielsweise eines Hallelements, erzielen läßt. Fig. 4 ist im Auffinden von Rissen in einem zu un-
Da es möglich ist, Hallelemente geringer Dicke 15 tersuchenden Prüfling gegeben, wobei sich die Risse
herzustellen, wird deren elektromagnetische Kopp- in die Tiefe des Prüflings erstrecken und als Durchlung
mit dem Prüfling dadurch begünstigt, und es risse bezeichnet werden. Angenommen, ein Riß C erläßt
sich auch eine bessere Oberflächenauflösung zum streckt sich merklich über den Radius der Magneti-Auffinden
kleiner, örtlicher Ungleichmäßigkeiten des sierspule mit dem dargestellten Magnetisierspulen-Magnetfeldes
erzielen. Mit einem Hallelement er- 2° strom Im hinaus, so wie es in F i g. 7 abgebildet ist,
reicht man im wesentlichen eine hundertprozentige so wird ein zum Prüfling 5 senkrechtes magnetisieelektromagnetische
Kopplung mit dem Prüfling. Ein rendes Feld einen Wirbelstrom hervorrufen, der etwa
Vorteil bei niedrigen Frequenzen liegt darin, daß die auf dem gleichen Weg wie der Magnetisierstrom Jm
Eindringtiefe der Wirbelströme im zu untersuchen- fließt. Dieser Wirbelstromfluß wird in zwei unterden
Prüfling wesentlich größer ist. Dies ist notwen- 25 schiedlich kreisende Wirbelstromflüsse Iec, die durch
dig, um eine brauchbare Antwortreaktion bezüglich den Riß getrennt sind und in der Umgebung des Ris-Parametern
dicker Prüflinge zu erhalten. Durch die ses mit entgegengesetzter Richtung fließen, aufgeteilt.
Vorrichtung dieser Erfindung erhält man daher über Die Wirkung der sich entgegenfließenden Wirbeldie
Parameter des zu untersuchenden Prüflings voll- ströme auf jeder Seite des Risses geht dahin, daß ein
ständigere Informationen. Beide Vektorgrößen der 3° das Hallelement mit viel kleinerem Radius umkrei-Magnetfelder
Hr und Hn können genau bestimmt sender wirksamer Wirbelstrom erzeugt wird, als das
werden, und bei Verwendung des in F i g. 5 darge- bei einem normalen Wirbelstromfluß in einem gleistellten
Kreisdiagramms können auch die relativen chen, aber rißfreien Prüfling der Fall ist. Die Ver-Phasenbeziehungen
festgestellt werden. Die verbes- ringerung des wirksamen Radius der Wirbelströme
serte Auflösung und der erweiterte Arbeitsbereich, 35 und ihr geringer Abstand vom Hallelement verstärkt
die mit der vorliegenden Erfindung erreicht werden, die vom Hallelement aufgenommene magnetische
ergeben sich aus der Verwendung eines Hallelements Rückwirkung, sobald das Hallelement unmittelbar an
und des Meßsondenaufbaues und aus der Fähigkeit oder in die Nähe des Risses gebracht wird. Die
der vorliegenden Vorrichtung, sowohl den Hn- als Unterscheidung von Rissen od. ä. Ungleichmäßigauch
den //,.-Vektor zu messen, so wie es im folgen- 4° keiten wird durch die aus der unterschiedlichen Flußden
noch umfassender beschrieben werden soll. richtung der Wirbelströme am Riß herrührende Um-
Die Arbeitsweise der ein 'magnetisches Rückwir- kehr in der Anzeige begünstigt. Daher wird eine über
kungsfeld verwendenden Prüfvorrichtung dieser Er- die Oberfläche des einen Durchriß od. ä. Ungleichfindungwurde
in dem bisher Gesagten im Zusam- mäßigkeiten enthaltenden und zu untersuchenden
menhang mit einem von der Sondenspule erzeugten 45 Prüflings bewegte Sonde solche Ungleichmäßigkeiten
Wechselmagnetfeld beschrieben. Die Vorrichtung durch eine sich umkehrende Anzeige ziemlicher
arbeitet jedoch, wie schon eingangs festgestellt, auch' Stärke im Detektor wiedergeben. Der Riß C wurde
mit einem magnetisierenden Feld der Frequenz Null, als sich ganz über den zu untersuchenden Prüfling 5
das keine Wirbelströme hervorruft und bei der Be- erstreckend dargestellt, um die Möglichkeit von um
Stimmung statischer Eigenschaften des Prüflings, wie 50 den Riß in dem ziemlich schmalen Prüfling fließenetwa
der magnetischen Permeabilität, von Vorteil ist. den Wirbelströmen auszuschließen. Wo der Riß eine
Die Arbeitsweise der Vorrichtung mit einem eine genügend große Ausdehnung in bezug auf den Durch-Gleichstromsondenspule
magnetisierenden Strom ist messer der Magnetisierspule hat, um jeglichen beim
Blockschaltbild der Fig. 6 dargestellt. Diese deutsamen Wirbelstromfluß um den Riß auszuschlie-Schaltung
umfaßt in ihrer Grundausführung. eine 55 ßen, ist es klar,, daß man auch da, wo sich der Riß
Gleichstromenergieversorgung 35 für eine Sonden- nicht ganz über den zu untersuchenden Prüfling erspule27a,
ein Hallelement 28 a mit einer Wechsel- streckt, die gleichen günstigen Ergebnisse erzielt,
stromversorgung 36 und einen Detektor 32a. Diese Der Vorteil der Prüfvorrichtung dieser Erfindung
stromversorgung 36 und einen Detektor 32a. Diese Der Vorteil der Prüfvorrichtung dieser Erfindung
Schaltungsanordnung liefert einen magnetisierenden gegenüber der dem Stand der Technik entsprechen-Gleichstrom
/„„ der ein statisches Magnetfeld er- 60 den Vorrichtung bezüglich der stark verbesserten
zeugt. Zur Erzeugung des Steuerstromes Ic für das Empfindlichkeit beim Aufsuchen von Rissen ist ohne
Hallelement 28a wird eine Wechselstromversorgung weiteres einzusehen. Tn der dem Stand der Technik
36 benutzt, so daß man Wechselstromvcrstärker ver- entsprechenden und eine mit der Magnetisierspule
wenden kann und somit die Nachteile von Gleich- identische oder im wesentlichen gleiche Abtastspule
Stromverstärkern, wie etwa wandernde Kennlinien, 60 verwendenden Vorrichtung spricht die Abtastspule
ausschaltet. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß auf den gesamten vom Prüfling aus durch die Fläche
der Steuerstrom, wenn es gewünscht wird, auch ein der Abtastspule tretenden magnetischen Kraftfluß
Gleichstrom sein kann, wobei in diesem Fall der De- an, und es zeigt sich im Bereich des Risses nur eine
Verringerung. Die dem Stand der Technik entsprechende und mit der Abtastspule verbundene Vorrichtung
zeigt dementsprechend nur eine Verringerung beim normalen oder normgerechten Abtasten von Hn
dann an, wenn die Spule den Riß überstreicht, wobei sich eine viel geringere Änderung ergibt, als dies
bei der Vorrichtung dieser Erfindung der Fall ist, die ein ein Hallelement beinhaltendes Abtastgerät
verwendet, das eine sehr viel kleinere Abfühlfläche im Vergleich zur Fläche der Magnetisierspule besitzt.
Während nun die verbesserte Ansprechempfindlichkeit beim Aufsuchen von Rissen dargestellt und
beschrieben wurde, bezogen auf innere Risse, ist es einzusehen, daß ein gleich günstiges Ergebnis sowohl
bei der Bestimmung des Rand- oder Endverlaufs eines Prüflings als auch bei der Bestimmung anderer
scharfer Ungleichmäßigkeiten erzielbar ist. Somit kann die Vorrichtung auch in Geräten, welche den
Verlauf einer Kante feststellen und danach entsprechend gesteuert werden, verwendet werden, wie etwa
in Kopiermaschinen.
Ein anderes, die Zweckmäßigkeit der Anwendung der Prüfvorrichtung dieser Erfindung aufzeigendes
Beispiel ergibt sich im Zusammenhang mit dem Prüfen magnetischen Materials. In der vorausgegangenen
Beschreibung der Arbeitsweise einer grundsätzlichen, diese Erfindung verkörpernden Vorrichtung wurde
angenommen — mit Ausnahme der vorhergehenden Seite —, daß der Prüfling einen etwa der Luft oder
eins gleichen Permeabilitätsfaktor besitzt. Da das Wirbelstrommagnetfeld dem Feld der Magnetisierspule
entgegengerichtet ist, zeigt der in der Grundanordnung benutzte Detektor einen geringeren Wert
an, sobald die Sonde auf oder in geringem Abstand zu einem leitenden, unmagnetischen und zu untersuchenden
Prüfling gebracht wird, verglichen mit der Anzeige, die man erhält, wenn die Sonde hiervon entfernt
ist. Im Falle magnetischer Materialien, ferromagnetischer beispielsweise, die eine Permeabilität
größer als Eins haben, wird das Feld'der Magnetisierspule der Sonde eher verstärkt, was sich in einen
größeren angezeigten Wert des Detektors äußert, sobald die bei niedrigen Frequenzen arbeitende Sonde
auf oder in geringen Abstand zu dem zu untersuchenden Prüfling gebracht wird.
Diese eigenartige Eigenschaft erlaubt es, daß die Vorrichtung eine von den betrachteten Parametern
abhängige digitale Anzeige liefert. Der Detektor in der vorhergehend beschriebenen Grundanordnung
liefert nur eine Anzeige der Vektorgrößen der Magnetfelder und bezieht den speziellen untersuchten
Prüfling auf einen normgerechten, so wie dies mit der Anzeige im Falle der vom Prüfling entfernten
Sonde ist. Eine Erhöhung oder Verringerung der Frequenz des magnetisierenden Stromes bewirkt eine
entsprechende, durch den Detektor festgestellte Änderung im resultierenden Magnetfeld Hn. Es ist möglich,
zwischen den Messungen mit der Sonde sowohl auf als auch entfernt von einem leitenden, magnetischen
Prüfling durch geeignete Wahl der Frequenz des Magnetisierstromes der Sondenspule keine Änderung
in der Größe der Detektoranzeige zu erhalten. Diese Technik ist in F i g. 8 graphisch dargestellt, wobei
der Vektor »A« die Detektormessung mit der vom Prüfling entfernten Sonde darstellt, wo der Permeabilitätsfaktor
Eins ist. Das durch -»A«. wiedergegebene Magnetfeld Hn wurde entsprechend durch
die diesbezügliche Kurve der Permeabilität Eins dargestellt. Bringt man anschließend die Sonde auf ein
Material, dessen Permeabilitätsfaktor größer als Eins ist, so zeigt der Detektor einen relativ größeren Wert
an. Es ist jedoch möglich, die Frequenz des Magnetisierstromes so abzugleichen, daß die von den magnetischen
und den Leitungseigenschaften herrührenden Wirkungen ausgeglichen werden und man
somit eine gleich große Anzeige erhält, gleich, ob die Sonde vom Prüfling entfernt ist oder sich in geringem
ίο Abstand hierzu befindet. Dieser Abgleich ist für einen
bestimmten zu untersuchenden Prüfling nur auf einer kennzeichnenden Frequenz möglich und kann dementsprechend
auf eine besondere Gruppe von Parametern bezogen werden. Die Abgleichfrequenz kann
mit hoher Trennschärfe digital abgelesen werden, wobei dieser Ablesewert speziell für automatische
Steuerungssysteme verwertbar ist. Eine Automation wird ferner noch dadurch begünstigt, daß das Differenzsignal
gerichtet ist und gut dazu benutzt werden kann, ein passendes korrigierendes Signal zu liefern,
um Null oder Abgleichstellung zu erreichen.
Die grundsätzliche Vorrichtung und der Prüfvorgang, die vorstehend beschrieben wurden, sprechen
auf den resultierenden Magnetfeldvektor Hn an und
arbeiten bei höheren Frequenzen am besten.'Bei einer als Null-Typ bezeichneten in F i g. 9 dargestellten
Abwandlung der Meßsonde hebt sich das Signal, das die alleinstehende Sonde liefert, und man kann daher
ein Signal messen, das in Beziehung steht zu den
Parametern des Prüflings, wobei im Niederfrequenzbereich ein hoher Genauigkeitsgrad erreicht wird. Der
Aufbau der Null-Typ-Sonde ist allgemein der gleiche, wie er vorher schon beschrieben wurde, und umfaßt
ein Gehäuse 40, eine elektromagnetische Induktionsspule 41 und ein Hallelement 42. Die Spule 41 befindet
sich in der Nähe des Endes des Gehäuses 40 mit dem ebenfalls axial hierzu ausgerichteten und zentral
zur Spule angeordneten Hallelement 42. In dieser abgewandelten Form ist eine zusätzliche elektromagnetische
Spule 43 von geringerem Umfang als die Spule 41 in der gleichen Ebene und in axialer Ausrichtung
mit dem Hallelement 42 angeordnet. Die zweite Spule 43 enthält eine geringere Anzahl Windungen
als die erste und ist in der vorliegenden Ausführungsform mit der ersten Spule in Reihe geschaltet. Der
Wicklungssinn 43 ist umgekehrt, um ein entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld zu erzeugen. Bei dieser
Sondenkonstruktion sind die Windungszahlen so abgestimmt, daß ein gleich großes, dem der ersten
Spule 41 durch die Fläche der zweiten Spule 43 erzeugten Magnetfeld entgegengerichtetes Magnetfeld
erzeugt wird, wobei jegliche durch ein Magnetfeld hervorgerufene Wirkung auf das Hallelement 42 ausgeschaltet
wird, wenn die Sonde vom Prüfling entfernt ist.
Die Auslöschung des Magnetfeldes in bezug auf das Hallelement 42 liefert ein vorteilhaftes Arbeitsverfahren,
wobei das magnetische Wirbelstrom-Rückwirkungsfeld, das im Niederfrequenzbereich einen
Go hohen Auflösungsgrad besitzt, leicht gemessen werden
kann. Wird eine Null-Typ-Sonde mit der Oberfläche eines zu untersuchenden Prüflings zu Betriebs-
. zwecken in Verbindung gebracht, wobei angenommen wird, daß die Sonde Teil einer der in F i g. 4 gezeigten
ähnlichen Grundschaltung ist, so wird in ähnlicher Weise im zu untersuchenden Prüfling ein Wirbelstromfluß
hervorgerufen. Dieser Wirbelstrom bewirkt dann ein direkt mit den betrachteten Para-
11 12
meiern oder Zuständen zusammenhängendes magne- abweichung zwischen Prüfling und Sondenfläche zu
tisches Rückkopplungsfeld, wobei nur dieses Magnet- bestimmen, da jede Winkeländerung des magnetifeld
wirksam mit dem Hallelement 42 elektromagne- sehen Rückwirkungsfeldes auch eine Verringerung
tisch gekoppelt ist. F i g. 10 ist ein der F i g. 5 ahn- der Hallelement-Ausgangsspannung bewirkt,
liches Vektordiagramm der Magnetfeder, die den 5 Im vorhergehenden wurde die magnetisierende Vorteil in den Beziehungen dieser Magnetfelder deut- Spule der Sonde in kreisförmiger Ausführung und in lieh aufzeigt. Die Vorrichtung kann nun im Bereich einer flachen Ebene geformt dargestellt und beschrieerheblich niedrigerer Frequenzen arbeiten, als dies ben, wobei das Hallelement zentral und axial ausmit einer in F i g. 3 dargestellten und aufgebauten gerichtet in der Spulenebene angeordnet ist. Dieser Sonde praktisch durchführbar ist. Als Beispiel sind io spezielle Sondenaufbau läßt sich für besondere Anzwei mit A und B gekennzeichnete magnetische Wendungen, die auf Grund der physikalischen Struk-Rückwirkungsfelder abgebildet, die sich auf einen tür des zu untersuchenden Prüflings oder durch normgerechten Prüfling und einen zu untersuchen- eigenartige elektrische und magnetische Kennzeichen den Prüfling mit einer entsprechenden Parameter- bedingt sind, .leicht umändern. Als Beispiel für eine abweichung beziehen. An Hand dieses Diagramms ist 15 anzutreffende Einschränkung infolge der körperlichen es leicht einzusehen, daß der Unterschied zwischen Struktur sei angeführt, daß die Oberfläche des zu den zwei Rückwirkungsfeldern und die Feldstärken untersuchenden Prüflings gekrümmt sein kann, wie klein sein können, wobei sich aber trotzdem ziem- dies beim Prüfen langgestreckter röhrenförmiger Erlich große prozentuale Änderungen ergeben. Zeugnisse der Fall ist. In einem solchen Anwendungs-Der »Abhebe«-Effekt kann dazu benutzt werden, 20 fall kann die Endfläche der Sonde ähnlich gekrümmt die Eigenschaften des zu untersuchenden Prüflings sein, wobei die magnetisierende Spule zum Zweck zu bestimmen. Das »Abheben« besteht in der Ent- der günstigsten Kopplung ebenfalls diese Gestalt anfernung der Sonde von der Oberfläche eines elektri- nimmt. Das Sondengehäuse kann auch als flache sehen leitenden Körpers und bewirkt durch die zu- Platte ausgeführt werden, deren minimale Dicke nehmende Entfernung eine Abnahme der auf das 25 durch den notwendigen Aufbau der Sondenspule be-Hallelement wirkenden Magnetfeldrückwirkung. An- grenzt ist. Eine solche flache, plattenförmige Sonde genommen, der elektrisch leitende Körper hat be- kann zur Untersuchung solcher Prüflinge vorteilhaft kannte, normgerechte Eigenschaften, so kann der angewendet werden, die ähnlich wie Kesselrohre, »Abhebe«-Effekt vorteilhafterweise dazu benutzt Wärmetauscher oder Brennelementbelegungen in werden, geometrische Eigenschaften der Oberfläche 30 Atomreaktoren beschränkt zugänglich sind,
oder der Oberflächenschicht festzustellen. So kann Ein weiteres Beispiel einer Sondenausführung ist beispielsweise die Dicke eines nichtleitenden, un- in F i g. 11 abgebildet. In dieser Ausführungsform ist magnetischen Belags auf einem elektrisch leitenden die Spule 45 rechteckförmig, besitzt eine relativ kleine und/oder magnetischen Körper, etwa einem Metall- Breite im Vergleich zur Länge und ist auf einem gestreifen, leicht durch diese Vorrichtung festgestellt 35 eignet geformten Sondengehäuse 46 angebracht. Das werden, da Dickeunterschiede des Belags dazu be- Hallelement 47 ist zentral und in axialer Ausrichtung nutzt werden können, den relativen Abstand der zur Spule 45 angeordnet. Eine so aufgebaute Sonde Sonde von der Oberfläche des Metallstreifens zu ver- wird im allgemeinen in dem zu untersuchenden Prüfändern und dabei eine Veränderung des Ausgangs- üng rechteckförmige, effektiv polarisierte Wirbelsignals der Vorrichtung zu bewirken. Die Dicke von 40 stromflußwege hervorrufen. Ein zu untersuchender Materialien oder Belägen, die weder leitend noch Prüfling, dessen Widerstand gegen in ihm fließende magnetisch sind, kann mit dieser Technik leicht be- Wirbelströme sich in einer Richtung von dem in der stimmt werden, da eine Entfernungsänderung der anderen Richtung unterscheidet, sowie in einem aus Sonde von der Oberfläche des Metallstreifens eine Metallstreifen bestehenden Lamellengefüge, dessen merkbare Änderung des Ausgangssignals bewirkt, 45 Streifendicke wesentlich geringer ist als die Längswenn die Entfernungsänderung relativ klein ist. Bei ausdehnung der Sondenspule, wird daher durch die Dickemessungen von nichtleitenden und unmajgneti- eine solche Sonde benutzende Vorrichtung dieser Ersehen Materialien kann das Material durch ein Ger- findung eine leicht feststellbare Streifenausrichtung genstück hinterlegt werden, das ein die notwendige aufweisen. Eine Drehung der Sonde um ihre Achse magnetische Rückwirkung liefernder, elektrisch lei- 50 liefert eine "auf den maximalen und minimalen Widertender Körper sein kann. Als Anwendungsbeispiel stand der Wirbelströme bezogene Anzeige. Der Effekt, für diese Technik kann ein langes oder endloses Band das Wirbelstromfeld zu formen, um eine Polarisation eines zu prüfenden Materials über eine hinterlegte zu erzielen, kann hinsichtlich der in Fig. 9 darge-Walze oder Platte gezogen werden, die die erforder- stellten Sondenkonstruktion verwendet werden. Die liehen, elektrisch leitenden und/oder magnetischen 55 Kompensationsspule 43 dieser Sonde kann mit einem Kennzeichen aufweist. Die Anbringung der Sonde in größeren Durchmesser als abgebildet ausgeführt wer-Berührung mit der Oberfläche des Materials liefert den, um so die Wirbelströme auf den unmittelbar eine spezielle Anzeige für eine bestimmte Dicke. unter der Magnetisierspule liegenden Bereich zu be-Jede Dickeänderung des Materials ändert entspre- schränken.
liches Vektordiagramm der Magnetfeder, die den 5 Im vorhergehenden wurde die magnetisierende Vorteil in den Beziehungen dieser Magnetfelder deut- Spule der Sonde in kreisförmiger Ausführung und in lieh aufzeigt. Die Vorrichtung kann nun im Bereich einer flachen Ebene geformt dargestellt und beschrieerheblich niedrigerer Frequenzen arbeiten, als dies ben, wobei das Hallelement zentral und axial ausmit einer in F i g. 3 dargestellten und aufgebauten gerichtet in der Spulenebene angeordnet ist. Dieser Sonde praktisch durchführbar ist. Als Beispiel sind io spezielle Sondenaufbau läßt sich für besondere Anzwei mit A und B gekennzeichnete magnetische Wendungen, die auf Grund der physikalischen Struk-Rückwirkungsfelder abgebildet, die sich auf einen tür des zu untersuchenden Prüflings oder durch normgerechten Prüfling und einen zu untersuchen- eigenartige elektrische und magnetische Kennzeichen den Prüfling mit einer entsprechenden Parameter- bedingt sind, .leicht umändern. Als Beispiel für eine abweichung beziehen. An Hand dieses Diagramms ist 15 anzutreffende Einschränkung infolge der körperlichen es leicht einzusehen, daß der Unterschied zwischen Struktur sei angeführt, daß die Oberfläche des zu den zwei Rückwirkungsfeldern und die Feldstärken untersuchenden Prüflings gekrümmt sein kann, wie klein sein können, wobei sich aber trotzdem ziem- dies beim Prüfen langgestreckter röhrenförmiger Erlich große prozentuale Änderungen ergeben. Zeugnisse der Fall ist. In einem solchen Anwendungs-Der »Abhebe«-Effekt kann dazu benutzt werden, 20 fall kann die Endfläche der Sonde ähnlich gekrümmt die Eigenschaften des zu untersuchenden Prüflings sein, wobei die magnetisierende Spule zum Zweck zu bestimmen. Das »Abheben« besteht in der Ent- der günstigsten Kopplung ebenfalls diese Gestalt anfernung der Sonde von der Oberfläche eines elektri- nimmt. Das Sondengehäuse kann auch als flache sehen leitenden Körpers und bewirkt durch die zu- Platte ausgeführt werden, deren minimale Dicke nehmende Entfernung eine Abnahme der auf das 25 durch den notwendigen Aufbau der Sondenspule be-Hallelement wirkenden Magnetfeldrückwirkung. An- grenzt ist. Eine solche flache, plattenförmige Sonde genommen, der elektrisch leitende Körper hat be- kann zur Untersuchung solcher Prüflinge vorteilhaft kannte, normgerechte Eigenschaften, so kann der angewendet werden, die ähnlich wie Kesselrohre, »Abhebe«-Effekt vorteilhafterweise dazu benutzt Wärmetauscher oder Brennelementbelegungen in werden, geometrische Eigenschaften der Oberfläche 30 Atomreaktoren beschränkt zugänglich sind,
oder der Oberflächenschicht festzustellen. So kann Ein weiteres Beispiel einer Sondenausführung ist beispielsweise die Dicke eines nichtleitenden, un- in F i g. 11 abgebildet. In dieser Ausführungsform ist magnetischen Belags auf einem elektrisch leitenden die Spule 45 rechteckförmig, besitzt eine relativ kleine und/oder magnetischen Körper, etwa einem Metall- Breite im Vergleich zur Länge und ist auf einem gestreifen, leicht durch diese Vorrichtung festgestellt 35 eignet geformten Sondengehäuse 46 angebracht. Das werden, da Dickeunterschiede des Belags dazu be- Hallelement 47 ist zentral und in axialer Ausrichtung nutzt werden können, den relativen Abstand der zur Spule 45 angeordnet. Eine so aufgebaute Sonde Sonde von der Oberfläche des Metallstreifens zu ver- wird im allgemeinen in dem zu untersuchenden Prüfändern und dabei eine Veränderung des Ausgangs- üng rechteckförmige, effektiv polarisierte Wirbelsignals der Vorrichtung zu bewirken. Die Dicke von 40 stromflußwege hervorrufen. Ein zu untersuchender Materialien oder Belägen, die weder leitend noch Prüfling, dessen Widerstand gegen in ihm fließende magnetisch sind, kann mit dieser Technik leicht be- Wirbelströme sich in einer Richtung von dem in der stimmt werden, da eine Entfernungsänderung der anderen Richtung unterscheidet, sowie in einem aus Sonde von der Oberfläche des Metallstreifens eine Metallstreifen bestehenden Lamellengefüge, dessen merkbare Änderung des Ausgangssignals bewirkt, 45 Streifendicke wesentlich geringer ist als die Längswenn die Entfernungsänderung relativ klein ist. Bei ausdehnung der Sondenspule, wird daher durch die Dickemessungen von nichtleitenden und unmajgneti- eine solche Sonde benutzende Vorrichtung dieser Ersehen Materialien kann das Material durch ein Ger- findung eine leicht feststellbare Streifenausrichtung genstück hinterlegt werden, das ein die notwendige aufweisen. Eine Drehung der Sonde um ihre Achse magnetische Rückwirkung liefernder, elektrisch lei- 50 liefert eine "auf den maximalen und minimalen Widertender Körper sein kann. Als Anwendungsbeispiel stand der Wirbelströme bezogene Anzeige. Der Effekt, für diese Technik kann ein langes oder endloses Band das Wirbelstromfeld zu formen, um eine Polarisation eines zu prüfenden Materials über eine hinterlegte zu erzielen, kann hinsichtlich der in Fig. 9 darge-Walze oder Platte gezogen werden, die die erforder- stellten Sondenkonstruktion verwendet werden. Die liehen, elektrisch leitenden und/oder magnetischen 55 Kompensationsspule 43 dieser Sonde kann mit einem Kennzeichen aufweist. Die Anbringung der Sonde in größeren Durchmesser als abgebildet ausgeführt wer-Berührung mit der Oberfläche des Materials liefert den, um so die Wirbelströme auf den unmittelbar eine spezielle Anzeige für eine bestimmte Dicke. unter der Magnetisierspule liegenden Bereich zu be-Jede Dickeänderung des Materials ändert entspre- schränken.
chend die Entfernung der Sonde von der hinterleg- 60 Eine andere abgewandelte Sondenausführung ist
ten Rolle oder Platte und bewirkt dabei eine An- in Fig. 12 dargestellt. Diese Sonde umfaßt einen
Zeigeänderung der Vorrichtung. Dickeänderungen topfförmigen ferromagiietischen Kern 50 mit einem
des Streifenmaterials erzeugen eine entsprechende in der Mitte des Kernes sitzenden Ansatz 51. Eine
Anzeige durch die Vorrichtung, die, wenn es ge- ringförmige Magnetisierspule 52 ist innerhalb des
wünscht wird, in automatisch gesteuerten, mit der 65 ringförmigen Kernhohlraumes angeordnet, wobei der
Produktion des Streifenmaterials verbundenen Sy- magnetische Widerstand des magnetischen Kreises
stemen benutzt werden kann. Ein »Schrägstell«-Effekt entsprechend abnimmt, wenn der magnetische Kraftkann
auch dazu benutzt werden, die relative Winkel- fluß durch den Kern geht. Das Hallelement 53 sitzt
13 14
auf der Endfläche des Kernansatzes 51, wo es dem hieraus fließt.dann zu einem Wechselstromverstärker
gebündelten. Kraftfluß ausgesetzt ist. Von den Vor- und dann in eine Detektorschaltung. Die Detektorteilen
der einen ferromagnetischen Kern verwenden- schaltung in der abgebildeten Ausführungsform wird
den Sondenausführung ist die mittels eines bestimm- dazu benutzt, einen Meßinstrumentenschaltkreis und
ten Spulenmagnetisierstromes erreichbare Erhöhung 5 ein damit zusammenhängendes optisch anzeigendes
der Ausgangssignalpegel hervorzuheben. Ein anderer Meßinstrument zu steuern. Ein Oszillator mit verVorteil
ist die durch den Kern für das Hallelement änderbarer Frequenz ist mit dem Eingang des die
erzielte magnetische Abschirmung. Da der magne- Spule betreibenden Verstärkers verbunden, um den
tische Kraftfluß in den Polschuhen konzentriert ist, gewünschten Magnetisierstrom für die spezielle Unist
es auch möglich, den vorher beschriebenen Polari- io tersuchung zu liefern. Vorzugsweise ist der Oszillator
sationseffekt durch eine geeignete Ausführung des von der Art, die ein Signal der Frequenz Null zu lie-Kernes
zu erhalten. fern imstande ist, um eine Permeabilitätsunter-
Obwohl nur symmetrische Sondenausführungen suchung bequem bewerkstelligen zu können. Ähnlich
gezeigt wurden, ist darauf hinzuweisen, daß die Son- ist auch die Hallelement-Steuerstromversorgnng vorden,
so wie es für spezielle Anwendungen erforder- 15 zugsweise so, daß sie einen Steuerwechselstrom Ic
lieh ist, ausgebildet werden können. Es wurde vorher liefern kann, wobei das Ausgangssjgnal wechselgesagt,
daß das Hallelement axial und zentral zur stromartig bleibt.
Magnetisierspule liegt. Es ist leicht einzusehen, daß Mit der Detektorschaltung ist ein Aüsgangsverstärdas
Hallelement hierzu verschoben sein kann, voraus- ker verbunden, der bei dieser amplitudenbezogenen
gesetzt, die Wirkung einer solchen Verschiebung wird 20 Arbeitsweise ein auf das resultierende magnetische
bei der Arbeit mit dieser Sonde beachtet. So kann Rückwirkungsfeld Hn bezogenes Ausgangssignal anabeispielsweise
das Hallelement in der Nachbarschaft loger Amplitude liefert. Das resultierende magnetische
der Magnetisierspule angeordnet oder mit deren Rückwirkungsfeld Hn ist die Vektorsumme aus der
magnetischer Achse nicht ausgerichtet sein, wobei von der Sonde allein erzeugten magnetischen FeIddie
magnetische Achse der Spule so weit von der dar- 25 siärke H0 und dem Wirbelstromrückwirkungsfeld Hr.
gestellten Hallelementrichtung abweichen kann, daß Dieses Ausgangssignal mit analoger Amplitude kann
sie sich im rechten Winkel oder senkrecht hierzu be- leicht dazu benutzt werden, ein Steuerungssystem für
findet. Zwei oder mehr Hallelemente können in plan- automatisierte Fertigungsvorgänge zu lenken, um die
paralleler, paralleler oder senkrechter Ausrichtung zur Aufrechterhaltung der Produktqualität notwendizueinander
in der Sondenanordnung eingeschlossen 30 gen Änderungen zu bewirken. Diese Schaltung liesein,
um eine Differeritialsonde zum Auffinden ort- fert ein zusätzliches Ausgangssignal oder eine zulicher
Änderungen einer Eigenschaft zu liefern. Es sätzliche Anzeige, die in einer von dem Oszillator mit
ist leicht einzusehen, daß viele andere Spulenkon- veränderbarer Frequenz gesteuerten Frequenzanzeige
struktionen zur Abwandlung der Wirbelstromwege besteht. Diese Frequenzanzeige kann bequem mit der
und viele andere Anbringstellen und Ausrichtungen 35 im Zusammenhang mit Fig. 8 beschriebenen Komder
Hallelement-Detektoren zum Auffinden beson- pensationsprüfungsvorrichtung benutzt werden,
derer gerichteter Komponenten des Magnetfeldes In der Schaltung nach Fig. 13 ist ein durch den durchführbar sind. Als weiteres Beispiel sei ange- Schalter S wahlweise zuschaltbares Netzwerk dargeführt, daß das Hallelement auf der der Magnetisier- stellt, das eine Eingangsbezugsspannung liefert. Diespule entgegengesetzten Seite des zu untersuchenden 40 ses Netzwerk kann zwischen den die Spule betreiben-Prüflings angebracht werden kann. den Verstärker und das summierende Netzwerk ge-
derer gerichteter Komponenten des Magnetfeldes In der Schaltung nach Fig. 13 ist ein durch den durchführbar sind. Als weiteres Beispiel sei ange- Schalter S wahlweise zuschaltbares Netzwerk dargeführt, daß das Hallelement auf der der Magnetisier- stellt, das eine Eingangsbezugsspannung liefert. Diespule entgegengesetzten Seite des zu untersuchenden 40 ses Netzwerk kann zwischen den die Spule betreiben-Prüflings angebracht werden kann. den Verstärker und das summierende Netzwerk ge-
Das Blockschaltbild der Fig. 13 stellt eine voll- schaltet werden und arbeitet in der Weise, daß es die
ständigere Schaltung für die diese Erfindung verkör- vorteilhafteste direkte Bestimmung'des magnetischen
pernde Prüfvorrichtung dar. Diese Schaltung schließt Rückwirkungsfeldes Hr erlaubt. Bei geöffnetem Schal-
die Xjrundvorrichtung nach der elementaren Schal- 45 ter 5 liefert das Hallelement ein auf das resultierende
tung der Fig. 4 ein, wobei die Untereinheiten der Magnetfeld Hn bezogenes Ausgangssignal. Das Schlie-
verschiedenen Komponenten angedeutet sind. Der ßen des Schalters S leitet ein Signal zum summieren-
Oszillator mit variabler Frequenz ist über einen den Netzwerk, das auf den Magnetisierstrom /„, oder
Steuerverstärker, der die Aufgabe hat, einen von der das magnetisierende Feld H0 bezogen ist. Dieses Si-
gewählten Prüffrequenz oder den Aufladewirkungen 5° gnal oder diese Bezugsspannung ist mit dem Signal,
der Wirbelströme unabhängigen, konstanten, magne- das von dem allein durch die Spule erzeugten Ma-
tisierenden Sondenspulenwechselstrom In, zu liefern, gnetfeld H0 herrührt, in Phase, obgleich es die ent-
mit der Magnetisierspule der Sonde verbunden. Hohe gegengesetzte Polarität aufweist, und es hat infolge
Genauigkeit und eine ausgezeichnete Reproduzier- eines geeigneten Schaltungsaufbaus die gleiche Größe,
barkeit der Messungen erhält man dann, wenn Norm- 55 Das Bezugsspannungssignal löscht folglich die Ma-
prüfbedingungen, wie etwa ein Normmagnetfeld, ein- gnetfeldkomponente H0 des Hallausgangssignals Hn
. gehalten werden, wobei man reproduzierbare Infor- effektiv aus und liefert eine direkte Anzeige des ma-
mationen erhält. Die Energiequelle, ein mit der Son- gnetischen Rückwirkungsfeldes Hr. Der wesentliche
denmagnetisierspule verbundener Spulen-Steuer- Vorteil einer direkten Bestimmung des magnetischen
Verstärker, muß imstande sein, unabhängig von ir- 60 Rückwirkungsfeldes Hr besteht darin, daß, zusammen
gendwelchen Aufladewirkungen der Wirbelströme mit Hn, der genaue Arbeitspunkt in der komplexen
oder durch ferromagnetische Rückwirkung, einen Η-Ebene (vergleiche Fi g. 5) festgestellt werden
magnctisicrenden Wechselstrom /,„ konstanter Größe kann, wobei es möglich ist, am Prüfling eine Phasen-
aufrechtzuerhaltcn. In ähnlicher Weise muß die analyse durchzuführen, wobei bestimmte Parameter
Gleichstromversorgung einen praktisch konstanten 65 festgestellt werden können. Ein weiterer Vorteil ist
Hallelemcntsteuerstrom /, liefern können. Zunächst der, daß sich Messungen bei niedrigen Frequenzen
wird das Hallspaiinungsausgangssignal in ein sum- ohne Einbußen an Empfindlichkeit und Genauigkeit
miercndes Netzwerk gegeben, das resultierende Signal durchführen lassen. Diese Magnetfeld-Aiislöschtech-
nik hat gegenüber der Nullsonde einige weitere Vorteile, die die Arbeitsweise begünstigen. Ein weiterer
Vorteil besteht darin, daß das magnetisierende Feld an der Sonde oder am zu untersuchenden Prüfling
nicht geschwächt wird, so wie es mit einer Kompensationsspule der Fall ist. Die Magnetisierspule kann
wie gewünscht aufgebaut werden, und da keine Kompensationsspule erforderlich ist, ist eine weitere Verkleinerung
der Sonde möglich. Die Kompensation kann auch leicht allen speziellen Arbeitsbedingungen
durch ziemlich einfache Schaltüngseinstellungen angepaßt
werden.
Eine der Fig. 13 ähnliche Schaltung für eine frequenzbezogene
Arbeitsweise ist in Fig. 14 abgebildet. Diese Schaltung unterscheidet sich bezüglich der
Ausgangssignale der Detektorschaltung, die jetzt dazu verwendet werden, die Betriebsfrequenz des Oszillators
mit veränderbarer Frequenz automatisch zu steuern. Ein Eingangsbezugsspannungsnetzwerk läßt
sich wahlweise mit der Schaltung verbinden, um, wie im Zusammenhang mit der Schaltung nach Fig. 13
beschrieben, entweder die resultierende Magnetisierung Hn oder die magnetische Rückwirkung Hr zu
bestimmen. Das Signal aus der Detektorschaltung wird in einen Spannungsvergleicher gegeben, der auch
von einer regelbaren Ausgangsbezugsspannungsschaltung ein Bezugsspannungssignal erhält. Das Bezugsspannungsausgangssignal
aus dieser letztgenannten Schaltung ist so abgeglichen, daß es das Signal aus der Detektorschaltung auslöscht, vorausgesetzt,
die Sonde befindet sich im betriebsfähigen Abstand zu einem normgerechten und zu untersuchenden
Prüfling, wobei der Vergleicher ein bestimmtes Signal für eine bestimmte Frequenz liefert, um einen
Arbeitspunkt zu liefern. Sollte das Signal aus der Detektorschaltung von diesem normgerechten Zustand
abweichen, liefert die Vergleicherschaltung ein geeignetes Signal, um ein spannungsbetätigtes Frequenzsteuergerät
zu steuern. Das spannungsbetätigte Frequenzsteuergerät spricht auf das Signal an und
gleicht die Betriebsfrequenz des Oszillators entsprechend ab. Der Oszillator wird automatisch so lange
abgestimmt, bis das AusgaHgssignal aus der Detektorschaltung wieder zum Ausgangsbezugsspannungssignal.
symmetrisch ist und das Ausgangssignal aus dem Vergleicher die erforderliche Größe hat, um diesen
Ausgleichszustand aufrechtzuerhalten. Mit der spannungsbetätigten Frequenzsteuerung ist eine Ausgangskoppelschaltung
verbunden, die ein Ausgangssignal analoger Frequenz abgibt, das, wie zuvor angedeutet,
in einem automatischen Steuerungssystem Verwendung finden kann.
Diese Prüfvorrichtung und ihre Arbeitsweise, so wie sie diese Erfindung vorsieht, bringt gegenüber der
dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtung mit Abtastspule eine erheblich größere Genauigkeit
und umfassendere Möglichkeiten in der Technik der zerstörungsfreien Materialprüfung. Das ein magnetfeldempfindliches
Halbleitergerät benutzende und die magnetische Rückwirkung ausnutzende Meßsondengerät
erlaubt sowohl Messungen bei niedrigen Frequenzen und mit verbesserter Ansprechempfindlichkeit
auf die Eigenschaften des zu untersuchenden Materials als auch statische und dynamische Prüfung.
Die Empfindlichkeit des Halbleitergerätes ist von der Betriebsfrequenz unabhängig und spricht augenblicklich
auf die magnetischen Feldstärken an. Die Vorrichtung ermöglicht zum Zweck der Bestimmung der
Phasenverhältnisse der Hn- und //,.-Felder eine getrennte
Messung des resultierenden Magnetfeldes Hn und des magnetischen Rückwirkungsfeldes HT im Zusammenhang
mit dem magnetisierenden Feld H0. wobei hieraus die genaue Bestimmung des Arbeitspunktes in der komplexen //-Ebene möglich ist. Die
Vorrichtung liefert auch eine genaue Frequenzbestimmung in jedem Arbeitspunkt. Die Parameter
Hn, Hn, H1. und / (Frequenz) beschreiben den Betriebszustand
des zu erprobenden Materials vollkommen und können unter Verwendung grundsätzlicher
theoretischer und empirischer Beziehungen leicht mit bestimmten Eigenschaften korreliert werden.
Claims (8)
1. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung,
bestehend aus einer Induktionseinrichtung zum Erzeugen eines pulsförmig oder periodisch
sich zeitlich ändernden Magnetfeldes, das im Prüfling Wirbelströme induziert, die ein mit den
Eigenschaften oder Fehlern des Prüflings in Beziehung stehendes Magnetfeld hervorrufen, und
aus magnetfeldempfindlichen Nachweismitteln für das durch die Wirbelströme hervorgerufene Magnetfeld,
dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweismittel aus mindestens einem magnetfeldempfindlichen
Halbleiter (23; 28; 28a; 42; 47; 53) bestehen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetfeldempfindliche
Halbleiter ein Hallspannungsgenerator (23; 28; 28a; 42; 47; 53) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem durch die Wirbelströme
hervorgerufenen Magnetfeld zwei Halbleiter im Abstand voneinander angeordnet sind, deren
Ausgangssignale zur Erzeugung eines Differenzsignals gegeneinander geschaltet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Induktionseinrichtung zwei miteinander in Verbindung stehende Stromleitungspfade
(41, 43) aufweist, in denen gegenläufige Magnetisierungsströme fließen und die relativ zueinander derart angeordnet sind, daß
ihr Magnetisierungsfeld auf einen vorgegebenen Bereich des Prüflings begrenzt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stromleitungspfade
von den Leiterschleifen von Spulen (41, 43) gebildet sind, die konzentrisch zueinander derart
angeordnet sind, daß sich im Innenraum der inneren Spule (43) die Magnetisierungsmagnetfelder
gegenseitig aufheben, und der magnetfeldempfindliche Halbleiter (42) im magnetisierungsfeldfreien
Innenraum der inneren Spule angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch I zur Messung der Dicke eines nichtleitenden und nichtmagnetischen
Prüflings, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand von der Induktionseinrichtung ein elektrisch
leitender Körper vorgesehen ist, auf den der Prüfling auflegbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Halbleiters
an den Eingang einer Summiereinrichtung angelegt ist, der als weiteres Eingangssignal ein
Spunnmigssignal zugeführt wird, das proportional
209 630/47
zu dem von einer Erregerstromquelle an die Tnduktionseinrichtung gelieferten Erregerstrom ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der SuTnmiereinrichtung
an den Eingang einer Vergleichs-
schaltung gelegt ist, an der auch noch ein einstellbares Bezugssignal anliegt und das Ausgangssignal
der Vergleichsschaltung als Fehlersignal einer Einrichtung zur Einstellung der Frequenz
des Erregerstromes zugeführt wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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