DE19529630A1 - Elektromagnetisches Induktionsprüfgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Induktionsprüfgerät und insbesondere ein Gerät zum Prüfen von Bedingungen wie innere Defekte eines Probestücks, indem eine Änderung der elektromagnetischen Induktion gemessen wird, die durch Einsetzen des Probestücks in ein elektromagnetisches Feld verursacht wird.

Es sind elektromagnetische Induktionsprüfgeräte bekannt, bei denen ein elektromagnetischer, in einem elektromag­ netischen Feld induzierter Induktionsstrom gemessen wird, um ein leitendes Probestück zu prüfen. Da das leitende Probestück im elektromagnetischen Feld einen Wirbelstrom erzeugt, ändert sich der im elektromagnetischen Feld induzierte Induktionsstrom. Durch Messen der Induktions­ stromänderung können daher Zustände wie das Material, Defekte und Abmessungen des Probestücks erkannt werden. Diese Prüfgeräte werden in weitem Umfang benutzt.

Wie beispielsweise aus Fig. 1 ersichtlich, weist das übliche elektromagnetische Induktionsprüfgerät im allge­ meinen einen Oszillator 1 zum Erzeugen eines Wechsel­ stroms auf, einen Sensor 2 mit einer Erregerspule 2a zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes F bei Aufbringen des Wechselstroms, und eine Induktionsspule 2b, in der ein Induktionsstrom im elektromagnetischen Feld F induziert wird, eine Balanceschaltung 3 wie eine Brückenschaltung zum Erfassen von Änderungen des Induktionsstroms, einen Verstärker 4 zum Verstärken eines Signals, das die Änderung des Induktionsstroms repräsentiert, einen Synchrondetektor 5 zum Erfassen eines Signals mit einem spezifischen Phasenwinkel, einen Phasenverschieber 6 zum Einstellen einer Phasendifferenz zwischen der Erregerspule 2a und der Induktionsspule 2b, und ein Display 7 wie ein Oszilloskop, wobei Instruktionen gemessen werden, und einen Datenrekorder.

Wird ein leitendes Prüfmuster S im elektromagnetischen Feld F plaziert, das durch Aufbringen des Wechselstroms vom Oszillator 1 auf die Erregerspule 2a des Sensors 2 erzeugt wird, wird ein Wirbelstrom durch das leitende Muster S erzeugt und durch die Induktionsspule 2b erfaßt. Als Ergebnis der Wirbelstromerzeugung ändert sich der durch die Induktionsspule 2b induzierte Induktionsstrom. Die Induktionsstromänderungen werden durch die Balance­ schaltung 3 erfaßt, um ein elektrisches Potentialsignal auszugeben, das die Induktionsstromänderungen repräsen­ tiert. Das elektrische Potentialsignal wird vom Verstärker 4 verstärkt und zum Synchrondetektor 5 geleitet. Zur selben Zeit wird ein Phasensignal mit einer spezifischen Phase, die vom Phasenverschieber 6 zum Ausschalten von Rauschen bestimmt wird, zum Synchron­ detektor 5 geleitet. Infolgedessen werden Informations­ signale, die Zustände wie Defekte, die Materialqualität und Abmessungen des Musters zeigen, vom Synchrondetektor 5 abgeleitet und dem Display 7 zugeführt.

Der vom Muster S erzeugte Wirbelstrom fließt meistens entlang der Oberfläche des Musters und verringert sich mit fortschreitender Tiefe. Das Prüfgerät dieser Art ist daher lediglich zur Erfassung von Oberflächendefekten und -dimensionen des Musters geeignet. Das übliche Prüfgerät hat jedoch die Nachteile, daß interne Defekte insbesondere in der Tiefe des Prüfmusters nur schwierig erfaßt werden können, und kann keine genaue Prüfleistung liefern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mit dem üblichen Prüfgerät verbundenen Nachteile zu beseitigen.

Ziele der vorliegenden Erfindung sind: ein elektromag­ netisches Induktionsprüfgerät zu schaffen, mit dem Zustände wie Defekte, Material und Dimensionen eines vorgegebenen Prüfmusters geprüft und nicht nur Ober­ flächendefekte mit einer sehr hohen Genauigkeit erfaßt werden können, sondern auch innere Defekte im Muster; ein Prüfgerät zu schaffen, mit dem eine hohe Genauigkeit bei der Prüfung der Prüfmuster unabhängig von der Material­ qualität, der magnetischen Permeabilität, der Ober­ flächenzustände und der physischen Abmessungen des Prüf­ musters, sowie der Testgeschwindigkeit und der Testan­ ordnung erreicht werden kann; ein Prüfgerät zu schaffen, mit dem die Lage verschiedener Formen von Defekten im vorgegebenen Muster ohne weiteres bestimmt werden kann; ein Prüfgerät zu schaffen, mit dem die Empfindlichkeit auf ein wechselndes elektromagnetisches Feld erhöht werden kann, während Störgeräusche ausgeschaltet werden; und ein Prüfgerät zu schaffen, mit dem die magnetische Permeabilität entsprechend der Phase eines Induktions­ stroms gemessen werden kann, die von einer Induktions­ spule und dem spezifischen Widerstand entsprechend der Amplitude des Induktionsstroms ableitbar ist.

Um die vorstehend beschriebenen Ziele erfindungsgemäß zu erreichen, ist ein elektromagnetisches Induktionsprüf­ gerät vorgesehen, das einen Oszillator zum Erzeugen eines Wechselstroms aufweist, eine elektromagnetische Induktionssensoreinheit mit Erregerspulen zum Erzeugen von elektromagnetischen Feldern, und Induktionsspulen zum Induzieren von Induktionsströmen, wobei die Induktions­ spulen mit einer entgegengesetzten Phasenbeziehung ver­ bunden sind, so daß die induzierten Induktionsströme einander aufheben können, um einen Differentialstrom zwischen den Induktionsströmen auszugeben, und einen Signalprozessor zum Erfassen der Phase und Amplitude des Differentialstroms von der Sensoreinheit, um ein zusammengesetztes Signal auszugeben, das aus der Phase und Amplitude des Differentialstroms besteht.

Der Signalprozessor enthält einen Amplitudendetektor zum Erfassen der Amplitude des Differentialstroms, einen Phasendetektor zum Erfassen der Phase des Differential­ stroms, und eine Schaltung zum Synthetisieren der Amplituden- und Phasensignale, die von den Amplituden- und Phasendetektoren ausgegeben werden, um ein zusammen­ gesetztes Signal zu erzeugen.

Die Phase und Amplitude des Differentialstroms ändern sich nicht nur mit der Frequenz des Wechselstroms, der auf den Erregerstrom aufgebraucht wird, sondern auch mit verschiedenen Bedingungen eines leitenden Musters, das in das von den Erregerspulen erzeugte elektromagnetische Feld gestellt wird. Durch Analysieren des zusammenge­ setzten Signals der Phase und Amplitude des Differential­ stroms können Zustände wie innere Defekte im leitenden Muster genau erkannt werden.

Das zusammengesetzte Signal wird in einer Wellenform ausgegeben und auf einer Anzeigeeinheit angezeigt, um die Analyse der Zustände des Musters zu erleichtern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaubild eines üblichen elektro­ magnetischen Induktionsprüfgeräts;

Fig. 2 ein Blockschaubild einer Ausführungsform eines elektromagnetischen Induktionsprüfgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3A ein schematisches Schaltbild einer Sensor­ einheit im erfindungsgemäßen Prüfgerät;

Fig. 3B ein schematisches Schaltbild einer modifi­ zierten Form der Sensoreinheit im erfindungsgemäßen Prüfgerät;

Fig. 4 ein Blockschaubild einer Phasen-/Amplituden­ erfassungs- und -zusammenstellungseinheit im erfin­ dungsgemäßen Prüfgerät;

Fig. 5 eine charakteristische graphische Darstellung der Amplituden- und Phasencharakteristiken der Muster beim Test; und

Fig. 6A bis Fig. 6D Wellenformen der Amplituden- und Phasendaten, die im Experiment unter Verwendung des erfindungsgemäßen Prüfgeräts erhalten wurden.

Das Prüfgerät gemäß der vorliegenden Erfindung fällt unter den Typ eines elektromagnetischen Induktionswirbel­ stromgeräts, in welchem die Intensität eines elektromag­ netischen Feldes in der Form der Amplitude gemessen wird, die zur Impedanz äquivalent ist, und Rauschen wird durch Einstellen der Phase eines Induktionsstroms ausgeschaltet. Die Änderung des elektromagnetischen Feldes wird durch die Permeabilität (Phase) und Impedanz (Amplitude) eines elektrischen Leiters gemessen. Die Permeabilität kann der Amplitude des Induktionsstroms entsprechen, und die Impedanz kann der Phase desselben entsprechen. Gemäß der Maxwell′schen Feldgleichungen können, wenn ein leitender Gegenstand in ein elektro­ magnetisches Feld gestellt wird, drei Arten von elekt­ rischen Signalen erhalten werden, welche die Festzustand­ eigenschaften des Gegenstands (spezifischer Widerstand, magnetische Permeabilität und die Elektrizitätskonstante) angeben. Um die elektrischen Signale zu erhalten, welche den spezifischen Widerstand und die magnetische Permeabi­ lität repräsentieren, ist es insbesondere erforderlich, die Frequenz des Erregerstroms einzustellen, um das elektromagnetische Feld zu erzeugen und die Amplitude und Phase des Induktionsstroms zu messen.

Da der statische magnetische Fluß und der alternierende magnetische Fluß leitendes Material wie Metall durch­ dringen, können die Zustände und Eigenschaften eines leitenden Musters, das in dem von einem Wechselstrom erzeugten elektromagnetischen Feld plaziert wird, durch Messen der Intensitätsänderung des elektromagnetischen Felds erkannt werden. Die vorliegende Erfindung macht zusätzlich zu derartigen elektrischen Eigenschaften von einem Phänomen Gebrauch, daß der alternierende magnetische Fluß von der Frequenz des Wechselstroms abhängt, der zum Erzeugen des elektromagnetischen Felds aufgebraucht wird. Das bedeutet, daß die Frequenz des Wechselstroms zum Erzeugen des elektromagnetischen Felds bei der vorliegenden Erfindung eingestellt wird.

Die erste Ausführungsform dieser Erfindung umfaßt das Ausbilden von wechselnden elektromagnetischen Feldern mit gleicher Magnetkraft mittels eines Wechselstroms, der eine eingestellte Frequenz hat, das Hineinstellen eines leitenden Prüfmusters in eines der elektromagnetischen Felder, das Messen eines Induktionsstroms oder einer Induktionsspannung, der (die) elektromagnetisch durch die elektromagnetischen Felder induziert wird, um ein elektrisches Signal zu erhalten, das die Intensitäts­ änderung repräsentiert, die durch das Hineinstellen des Prüfmusters in das elektromagnetische Feld verursacht wird, und das Identifizieren der magnetischen Permeabili­ tät und des spezifischen Widerstands des Musters aus dem elektrischen Signal. Die sich ergebenden Daten, die als Resultat des Auffindens der magnetischen Permeabilität und des spezifischen Widerstandes erhalten werden, werden angezeigt.

Konkret umfaßt, wie in Fig. 2 dargestellt, das erfindungsgemäße elektromagnetische Induktionsprüfgerät eine elektromagnetische Induktionssensoreinheit 10 zum Erfassen des Induktionsstroms oder der Induktionsspannung, der (die) elektromagnetisch induziert werden, um ein Induktionssignal auszugeben, einen Signal­ prozessor 20 zum Erfassen der Phase und Amplitude des Induktionssignals, das von der Sensoreinheit 10 zuge­ führt wird, um ein zusammengesetztes Signal zu erhalten, das aus der Phase und Amplitude des Induktionssignals zusammengesetzt ist, eine Anzeigeeinheit 30 zum Anzeigen der Phase und Amplitude, welche die Eigenschaften des leitenden Musters angeben, und eine äußere Vorrichtung 40, in welcher Daten wie die Phase und Amplitude des Induktionssignals vom Signalprozessor 20 verarbeitet und in einem magnetischen Speichermedium wie einem magnetischen Speicherband, einer magnetischen Aufzeich­ nungsscheibe und einer MO-Disk zu speichern.

Die vorerwähnte Sensoreinheit 10 umfaßt einen ersten Sensor 11 und einen zweiten Sensor 12. Wie in den Fig. 3A und 3B gezeigt, weist der erste Sensor 11 eine Erregerspule 111 auf, um ein wechselndes elektromagne­ tisches Feld mit Aufbringen eines Wechselstroms zu schaffen, und eine Induktionsspule 112, durch die ein Induktionsstrom v1 geschaffen wird, der proportional zur Intensität des elektromagnetischen Feldes ist, das von der Erregerspule 111 erzeugt wird. Der zweite Sensor 12 hat eine Erregerspule 121 und eine Induktionsspule 122, die aufbau- und funktionsmäßig ähnlich zur Erreger- und Induktionsspule im ersten Sensor 11 sind, um einen Induktionsstrom v2 zu induzieren.

Die Induktionsspulen 112 und 122 sind in entgegenge­ setzter Phasenbeziehung verbunden, wie in Fig. 3A gezeigt. Das heißt, daß da die Induktionsspulen 112 und 122 in gleicher Richtung gewickelt sind, die vorderen Anschlüsse 112a und 122a der Spulen 112 und 122 mit dem Signalprozessor 20 verbunden sind, und die hinteren Anschlüsse 112b und 122b miteinander verbunden sind, wie dargestellt. Daher sind die Induktionsströme v1 und v2, die von den Induktionsspulen 112 und 122 induziert werden, welche in einer entgegengesetzten Phasenbeziehung verbunden sind, im wesentlichen einer Subtraktion ausge­ setzt, wie gleichwertig durch die gepunkteten Pfeile in Fig. 3A angegeben wird, wodurch infolgedessen ein Differentialstrom δv erzeugt wird.

Sind andererseits die Induktionsspulen 112 und 122 in entgegengesetzten Richtungen zueinander gewickelt, wie in Fig. 3B gezeigt, können sie derart angeordnet werden, daß der vordere Anschluß 112a der ersten Spule 112 und der Endanschluß 122b der zweiten Spule 122 mit dem Signalprozessor 20 verbunden sind, und der hintere Anschluß 112b der ersten Spule 112 und der vordere Anschluß 122a der zweiten Spule 122 miteinander verbunden sind, wie dargestellt.

In Fig. 3B ist durch die gepunkteten Pfeile die äquivalente Schaltung dargestellt, durch die die Induktionsströme v1 und v2 von den Induktionsspulen 112 und 122, die in entgegengesetzten Richtungen gewickelt sind, einander aufheben, wodurch ein Differentialstrom 8v erzeugt wird. Die in den Fig. 3A und 3B gezeigten Schaltungen sind daher zueinander im wesentlichen gleich­ wertig.

Die Induktionsspulen 112 und 122 sind mit einem Verstärker 22 im Signalprozessor 20 verbunden.

Befindet sich kein leitendes Muster in den elektromagne­ tischen Feldern, die von den Erregerspulen 111 und 121 erzeugt werden, werden die von den Induktionsspulen 121 und 122 ausgegebenen Induktionsströme derart ausgeglichen, daß ein Differentialstrom (oder Spannung) als Ausgabe vom zweiten Sensor 12 bei Null (0) gehalten wird, da die Ausgangsströme von den Induktionsspulen 121 und 122, die in entgegengesetzter Phasenbeziehung verbunden sind, einander aufheben.

Ist jedoch ein leitendes Muster in irgendeinem der von den Erregerspulen 111 und 121 erzeugten elektromagnetischen Feldern angeordnet, sind die Ausgangsströme von den Induktionsspulen 121 und 122 nicht ausgeglichen, um einen bedeutenden Differentialwert abzuleiten.

Dies bedeutet, daß die Erregerspulen 111 und 121 die elektromagnetischen Felder mit dem Aufbringen eines Wechselstroms von einem Oszillator 21 im Signalprozessor 20 erzeugen. Die Induktionsspulen 121 und 122 sind den von den Erregerspulen 111 und 121 erzeugten elektromagne­ tischen Feldern ausgesetzt, wodurch entsprechende Induk­ tionsströme induziert werden. Die von den Induktions­ spulen 121 und 122 ausgegebenen Induktionsströme werden in entgegengesetzten Phasen gemischt, so daß die Induk­ tionsströme einander kompensieren, wodurch das Differen­ tialsignal zwischen den Induktionsströmen abgeleitet wird. Das Differentialsignal wird dem Signalprozessor 20 über Signalleitungen 13 zugeführt.

Zusätzlich zum Oszillator 21, mit dem der Wechselstrom auf die Sensoreinheit 10 aufgebracht und die Frequenz des Wechselstroms eingestellt werden kann, und dem Verstärker 22 zum Verstärken des Differentialsignals, das vom Sensor 10 über die Signalleitungen 13 zugeführt wird, weist der Signalprozessor 20 ferner eine Phasen/Amplitudener­ fassungs- und -zusammensetzeinheit 23 zum Bestimmen der Phase und Amplitude vom durch den Verstärker 22 verstärkten Differentialsignal auf, um ein zusammenge­ setztes Wellenformsignal zu erhalten, das aus der Phase und Amplitude besteht, eine Schalteinheit 24, die Schalter und Selektoren enthält, welche zum Zurücksetzen des gesamten Verfahrens betätigt werden, die Ausgangs­ informationsdaten schaltet (Phase und/oder Amplitude und zusammengesetzte Wellenformsignale), Ausgangsdaten adressiert und den Wechselstrom vom Oszillator 21 auf die vorgeschriebene Frequenz innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs einstellt, sowie eine Ausgabeeinheit 25 mit einem Mikrocomputer, einer Interfaceschaltung (I/F) und einem Analog/Digital-Umwandler (A/D) zum Umwandeln der Ausgabeinformationsdaten, die von der Phasen/Ampli­ tudenerfassungs- und -zusammensetzungseinheit 23 zugeführt werden, in digitale Signale.

Der Signalprozessor 20 weist eine Signalleitung 26 auf, durch welche ein Signal, das synchron zum vom Oszillator 21 erzeugten Wechselstrom ist, zur Phasen/Amplitudener­ fassungs- und -zusammensetzungseinheit 23 geführt wird, eine Signalleitung 27, durch welche ein Signal zum Schalten des Ausgangssignals, das die Phase und Amplitude repräsentiert, zur Einheit 23 geführt wird, und eine Signalleitung 29, durch welche ein von der Schalteinheit 24 bestimmtes Levelsignal dem Oszillator 22 zugeführt wird.

Aufgrund des elektromagnetischen Induktionsprüfgeräts, das die vorerwähnte Ausgestaltung aufweist, können ver­ schiedene Zustände eines vorgegebenen Prüfmusters auf der Basis der Phasen- und Amplitudenkomponenten des Induk­ tionsstroms erkannt werden. Vor der Messung des Prüf­ musters wird ein fehlerfreies Standardmuster mit diesem Prüfgerät geprüft, um charakteristische Referenzdaten über einen vorgeschriebenen Frequenzbereich und die Phase und Amplitude, die dem Standardmuster eigen sind, zu bestimmen. Durch Analysieren der Ausgangsdaten, die als Resultat davon erhalten werden, daß das vorgegebene Prüfmuster der elektromagnetischen Induktionsprüfung mit dem erfindungsgemäßen Prüfgerät ausgesetzt wird, in Vergleich zu den vorbestimmten charakteristischen Referenzdaten, können verschiedene Zustände wie Zustand, Größe und Stelle der inneren Defekte, die sich tief im Prüfmuster befinden, genau erkannt werden.

Wie in Fig. 4 gezeigt, enthält die vorerwähnte Phasen/Amplitudenerfassungs- und -zusammensetzungseinheit 23 einen Amplitudendetektor 23a zum synchronen Gleich­ richten des vom Verstärker 22 zugeführten Informations­ signals δv mit dem synchronen Signal δi, das vom Oszillator 21 zugeführt wird, um ein Amplitudensignal νa zu erhalten, einen Phasendetektor 23b zum Erfassen des Phasensignals νp vom Informationssignal, das einen ent­ sprechenden Level hat, der vom Verstärker 22 automatisch eingestellt wird, Schaltungen 23c und 23d zum Verstärken des Amplitudensignals νa vom Amplitudendetektor 23a bzw. des Phasensignals νp vom Phasendetektor 23b, Verstärker 23c und 23d zum Verstärken der Signale νa und νp in Signale νA und νP, eine Schaltung 23e zum Synthetisieren des Amplitudensignals νA und des Phasensignals νP, um ein zusammengesetztes Signal Ei abzuleiten, und einen Selektor 23f zum wahlweisen Ausgeben von wenigstens einem vom zusammengesetzten Signal Ei von der Syntheseschaltung 23e, dem Amplitudensignal νA von der Verstärkerschaltung 23c, und dem Phasensignal νP von der Verstärkerschaltung 23d in Reaktion auf einen Schaltbefehl von der Schaltein­ heit 24.

Als nächstes wird der Betrieb des vorerwähnten elektro­ magnetischen Induktionsprüfgeräts beschrieben.

Der Oszillator 21 bringt einen Wechselstrom (i) auf die Induktionssensoreinheit 10 auf, um die Erregerspule 111 des ersten Sensors 11 und die Erregerspule 121 des zweiten Sensors 12 zu erregen, und führt gleichzeitig das synchrone Signal δi synchron mit dem Wechselstrom der Phasen/Amplitudenerfassungs- und -zusammensetzungseinheit 23 über die Signalleitung 26 zu.

Wird ein Prüfmuster in eines der wechselnden elektromag­ netischen Felder gestellt, die vom ersten und zweiten Sensor 11, 12 erzeugt werden, sind die durch die Induk­ tionsspulen 112 und 122 induzierten Induktionsströme unausgeglichen, um einen Differentialstrom δv hervorzu­ bringen. Dieser Differentialstrom δv wird als erfaßtes Signal dem Signalprozessor 20 über die Signalleitung 13 zugeführt (Fig. 3).

Obwohl hier der elektrische Strom als das erfaßte Signal aus Vereinfachungsgründen beschrieben ist, kann das Messen gemäß der vorliegenden Erfindung selbstverständlich durch Messen der elektrischen Spannung oder der elektrischen Leistung des erfaßten Signals δv ausgeführt werden.

Das erfaßte Signal δv, das dem Signalprozessor 20 zuge­ führt wird, wird einleitend durch den Verstärker 22 verstärkt und sowohl dem Amplitudendetektor 23a und dem Phasendetektor 23b der Phasen/Amplitudenerfassungs- und -zusammensetzungseinheit 23 zugeführt. Die entsprechenden erfaßten Signale δv im Amplitudendetektor 23a und Phasen­ detektor 23b der Phasen/Amplitudenerfassungs- und -zu­ sammensetzungseinheit 23 werden synchron mit dem synchronen Signal δi gleichgerichtet, das vom Oszillator 21 zugeführt wird, um die Amplitudenkomponente νa oder Phasenkomponente νp des erfaßten Signals δv abzuleiten. Die Empfindlichkeit der Amplituden- oder Phasenkomponente hängt von der Frequenz des Wechselstroms ab, die auf die Erregerspulen aufgebracht wird, und vom Oszillator 20 eingestellt wird. Die Phase des erfaßten Signals δv ändert sich daher mit der Frequenz, die durch die Schalteinheit 24 gesteuert wird.

Je niedriger die vom Oszillator 21 erzeugte Frequenz ist, umso tiefer streut der magnetische Fluß in das leitende Muster. Es ist daher wünschenswert, die Frequenz des Erregerstroms niedrig einzustellen, um einen inneren Defekt im Prüfmuster ausfindig zu machen.

Die Beziehung zwischen der Frequenz, der magnetischen Permeabilität und dem spezifischen Widerstand des Wechselstroms, der vom Oszillator erzeugt wird, wird im folgenden beschrieben.

Unter der Voraussetzung, daß der Wechselstrom (i) vom Oszillator 21 den Erregerspulen 111 und 121 der Induk­ tionssensoreinheit 10 zugeführt wird, existiert die gegenseitige Induktivität (M) zwischen der Erregerspule 111 und der Induktionsspule 112 und zwischen der Erreger­ spule 121 und der Induktionsspule 122, und die komplexen Magnetisierungsraten des fehlerlosen Standardmusters (Sa) und des einen inneren Defekt aufweisenden Prüfmusters (Sb) sind (µa+jρa) bzw. (µb+jρb), wobei µa und µb die magnetischen Charakteristiken (magnetische Permeabilität) und ρa und ρb die elektrischen Charakteristiken (spezifi­ scher Widerstand) der Muster Sa und Sb sind.

Die entsprechenden Induktionsspannungen "v1" und "v2", die von den Induktionsspulen 112 und 122 induziert werden, sind:

v1 = jωiM(µb+jρb) = jωiMµb-iωMρb (1)

v2 = jωiM(µa+jρa) = jωiMµa-ωiMρa (2)

wobei ω = 2πf (f: Frequenz) ist. Da die Induktionsspulen 112 und 122 in Reihe in entgegengesetzter Phasenbeziehung derart verbunden sind, daß die elektromotorischen Induk­ tionsspannungen v1 und v2 einander aufheben, ist die Differentialspannung δv:

δv = v2-v1 = jωiM(µa+µb) = ωiM(ρa-ρb) (3)

Hier wird δv durch ωiM(µa-µb) repräsentiert, das um 90° relativ zum auf die Erregerspulen aufgebrachten Strom (i) verzögert ist, und durch die in Phase liegende Komponente ωiM(ρa-ρb). Diese zwei Komponenten (Amplitude νa und Phase νp) werden unabhängig durch den Amplitudendetektor 23a und den Phasendetektor 23b erhalten, wie in Fig. 4 gezeigt.

Das Standardmuster (Sa) und das Prüfmuster (Sb) werden daher entsprechend ihrer magnetischen Permeabilitäten (µa; µb) und den spezifischen Widerständen (ρa; ρb) verglichen, die in der vorstehenden Weise erhalten werden, wodurch die Zustände und Eigenschaften des Prüf­ musters aufgedeckt werden.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, werden das vom Amplituden­ detektor 23a erfaßte Amplitudensignal νa und das vom Phasendetektor 23b erfaßte Phasensignal νp entsprechend durch die Verstärker 23c und 23d verstärkt, um das ver­ stärkte Amplitudensignal νA und Phasensignal νP zu erzeugen. Die Signale νA und νP werden der synthetisie­ renden Schaltung 23e und dem Selektor 23f zugeleitet. In der synthetisierenden Schaltung 23e werden die Signale νA und νP synthetisiert, um ein zusammengesetztes Signal Ei an den Selektor 23f auszugeben. Der Selektor 23f wird entsprechend dem Schaltbefehl gesteuert, der von der Schalteinheit 24 gegeben wird, um wahlweise das Amplitu­ densignal νA, das Phasensignal νP und/oder das zusammen­ gesetzte Signal Ei der Ausgabeeinheit (I/F) 25 zuzu­ führen.

Die Ausgabeeinheit (I/F) 25 wird ebenso durch die Schalt­ einheit 24 gesteuert, um wahlweise Informationsdaten, welche die vorerwähnte Amplitude, Phase und/oder die zusammengesetzten Signale enthalten, der Anzeigeeinheit 30 zuzuführen, um die Informationsdaten auf einen Display oder der externen Vorrichtung 40 anzuzeigen, die einen Datenrekorder umfaßt.

Als nächstes wird ein Beispiel der Experimente beschrieben, die tatsächlich durchgeführt worden sind, um ein Prüfmuster mit einem inneren Defekt unter Verwendung des erfindungsgemäßen Prüfgeräts zu prüfen.

In Fig. 5 ist eine charakteristische graphische Darstellung gezeigt, welche die Amplituden- und Phasen­ daten darstellt, die als Ergebnis vom Experiment erhalten werden. In dieser graphischen Darstellung werden die Amplituden- und Phasencharakteristiken des Prüfmusters, die mit der Frequenz des auf die Erregerspulen aufge­ brachten Wechselstroms variieren, mit denjenigen eines fehlerlosen Standardmusters dargestellt. In diesem Experiment wurde als Prüfmuster ein durch Punktschweißen gebildeter Schweißabschnitt verwendet, der im allgemeinen als "Klumpen" bezeichnet wird. Die Frequenzwerte des Wechselstroms und die erfaßten Phasen- und Amplituden­ werte sind nachstehend in Tabelle 1 angegeben. Es wurde der vorerwähnte Erregerstrom mit 5 Volt aufgebracht. In Tabelle 1 zeigt die Frequenz des aufgebrachten Erreger­ stroms Intervalle von 5 kHz bis 50 kHz als Beispiel.

Tabelle 1

Wird kein Muster im elektromagnetischen Feld angeordnet, sind die Induktionsströme, die vom ersten Sensor 11 und dem zweiten Sensor 12 induziert werden, zueinander gleich, um einen Differentialstrom von 0V auszugeben.

Wird das fehlerlose Standardmuster (fehlerloser Gegenstand) in einem der elektromagnetischen Felder angeordnet, die von der ersten und zweiten Spule 11, 12 erzeugt werden, ändert sich die Amplitude des Induktions­ stroms mit der Frequenz des aufgebrachten Erregerstroms, wie in Tabelle 1 und Fig. 5 gezeigt, und es werden als Resultat hiervon die spezifischen Widerstände, welche die elektrischen Charakteristiken des Musters relativ zur Frequenz des aufgebrachten Erregerstroms repräsentieren, erhalten.

Im Experiment wurde die Phase des für das Standardmuster aufgebrachten Erregerstroms zu 0° bestimmt, um den Vergleich mit dem Prüfmuster zu erleichtern, welches die inneren Defekte aufweist (fehlerhafter Gegenstand). Als Resultat konnten die magnetischen Permeabilitäten, welche die magnetischen Charakteristiken der Muster repräsen­ tieren, aus den damit erhaltenen Phasendaten erkannt werden.

Wie in Fig. 5 gezeigt, ändert sich, wenn das Prüfmuster mit den inneren Defekten in einem der von den Induktions­ spulen erzeugten elektromagnetischen Feldern angeordnet wird, die Phase unregelmäßig bei Änderung der Frequenz, und die Amplitude ändert sich ungleich zu derjenigen des Standardmusters. Auf diese Weise konnten Differential­ werte des Prüfmusters erhalten werden, die von denjenigen des Standardmusters unterscheidbar sind. Dieses Experiment zeigt auf, daß bei Anheben der Frequenz die Änderung des Differentialsignals signifikant von den Zuständen der Oberfläche des Musters abhängt.

Ein weiteres Experiment, das unter Verwendung des erfin­ dungsgemäßen Prüfgeräts durchgeführt wurde, wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 6A bis 6D beschrieben.

Bei diesem Experiment wurde ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 20 kHz und 5V vom Oszillator 20 auf die Erregerspulen 11 und 12 aufgebracht.

Fig. 6A zeigt eine Referenzwellenform, die erhalten wird, wenn kein Muster in den elektromagnetischen Feldern angeordnet wird, die von den Erregerspulen erzeugt werden. Diese Referenzwellenform, welche durch die erfaßte Phase und Amplitude ausgedrückt wird, hat die Phase von 0° und die Amplitude von 280 mV.

Fig. 6B zeigt eine Wellenform, die erhalten wird, wenn ein erstes Muster aus Aluminium mit einer Dicke von 2 mm in einem der elektromagnetischen Felder angeordnet wird. Diese Wellenform hat eine um 20° verzögerte Phase und ändert sich auf 0,32V.

Fig. 6C zeigt eine Wellenform, die erhalten wird, wenn ein zweites Muster aus Stahl (SPCC) mit einer Dicke von 2 mm in einem der elektromagnetischen Felder angeordnet wird. Diese Wellenform hat eine um 50° verzögerte Phase und ändert sich auf 0,72V.

Eine in Fig. 6D gezeigte Wellenform wurde erhalten, wenn ein drittes Muster mit einem inneren Defekt im elektro­ magnetischen Feld angeordnet wird. Dieses dritte Muster ist bezüglich Material und Größe zum oben erwähnten ersten Muster identisch mit der Ausnahme, daß ein innerer Defekt eingeschlossen war. Demgemäß ist die Wellenform von Fig. 6D im wesentlichen gleich zu derjenigen von Fig. 6B, enthält jedoch unregelmäßige Übergänge (ver­ formte Abschnitte) C, die vom inneren Defekt verursacht werden.

Es ist aus dem vorerwähnten experimentiellen Ergebnis ersichtlich, daß dann, wenn ein zu prüfender vorgegebener leitender Gegenstand (Muster) einen Defekt oder Defekte wie einen Riß und Lunker aufweist, eine Amplituden- Phasen-Wellenform, die durch Anordnen des Gegenstands im elektromagnetischen Feld erhalten wird, unvermeidlich eine Unregelmäßigkeit an spezifischen Phasenabschnitten zur Folge hat. Es können daher durch numerische Analyse der Daten, die in der Form einer Amplituden-Phasen- Wellenform unter Verwendung der externen Vorrichtung 40 erhalten werden, die Formation wie Größe, Stelle und Zustand des Defekts in bestimmter Weise identifiziert werden.

Es ist daher durch Verwendung des Phänomens, bei welchem die Amplituden-Phasen-Wellenform relativ zur Frequenz des aufgebrachten Stroms mit den Festzustandseigenschaften (spezifischer Widerstand, magnetische Permeabilität und die Elektrizitätskonstante) eines zu prüfenden leitenden Gegenstands variiert, möglich, nicht nur genau verschie­ dene innere Defekte oder Anomalien einschließlich Risse und Lunker im leitenden Gegenstand, beispielsweise einem Schweißabschnitt, zu erfassen, sondern auch fein die Festzustandseigenschaften wie Kohlenstoffgehalt, Qualität und Dichte des Materials des Gegenstands durch Analysieren der Phase, der Amplitude und Muster an der sich ergebenden Wellenform zu unterscheiden.

Das erfindungsgemäße Prüfgerät ist zum Prüfen aller Arten von Sachen und Artikeln anwendbar, insbesondere für mechanische Komponenten, die schwierig zu zerlegen sind, beispielsweise einen Motorblock, der in einem Auto eingebaut ist.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, können, da das Phänomen, bei dem die magnetischen und elektrischen Charakteristiken eines vorgegebenen Musters, das im elektromagnetischen Feld angeordnet wird, welches von den Erregerspulen erzeugt wird, mit der Frequenz des auf die Erregerspulen aufgebrachten Erregerstroms variiert, Bedingungen wie Defekte, Material und Dimen­ sionen des Musters genau und ohne Rücksicht auf die Qualität des Materials, die magnetische Permeabilität, die Oberflächenbedingungen und physikalischen Abmessungen des Musters und die Testgeschwindigkeit und die Testan­ ordnung identifiziert werden.

Ferner können auch, da die Wellenformdaten, die als Ergebnis erhalten werden, gemäß der erfaßten Amplitude und Phase analysiert werden, auch die Stelle, Größe und Formation eines Defekts im vorgegebenen Muster ohne weiteres mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden, ohne daß irgendwelche Störgeräusche in Kauf genommen werden müßten.

Claims (8)

1. Elektromagnetisches Induktionsprüfgerät mit einem Oszillator zum Erzeugen eines Wechselstroms, einer elektromagnetischen Induktionssensoreinheit mit Erreger­ spulen zum Erzeugen von elektromagnetischen Feldern bei Aufbringen des Wechselstroms und mit Induktionsspulen, die in den von den Erregerspulen erzeugten elektromag­ netischen Feldern angeordnet sind, um Induktionsströme zu induzieren, wobei die Induktionsspulen in einer entgegen­ gesetzten Phasenbeziehung verbunden sind, um zu ermöglichen, daß sich die induzierten Induktionsströme einander aufheben, um einen Differentialstrom zwischen den Induktionsströmen mit Phasen- und Amplitudenkompo­ nenten abzuleiten, und einem Signalprozessor zum Erfassen der Phase und Amplitude vom Differentialstrom, der von der Sensoreinheit zugeführt wird, um ein zusammenge­ setztes Signal auszugeben, das aus den Phasen- und Amplitudenkomponenten des Differentialstroms besteht, wobei der Differentialstrom, der sich mit den Zuständen eines Musters ändert, das in einem der von den Erreger­ spulen erzeugten elektromagnetischen Feldern angeordnet wird, im Signalprozessor analysiert wird, um die Zustände des Musters zu identifizieren.

2. Prüfgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Induktionsspulen in der gleichen Richtung gewickelt und miteinander derart verbunden sind, daß die Induktionsströme, die von den Induktionsspulen induziert werden, einander aufheben, um den Differentialstrom zu erzeugen.

3. Prüfgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Induktionsspulen in den entgegengesetzten Richtungen gewickelt und miteinander derart verbunden sind, daß die Induktionsströme, die von den Induktions­ spulen induziert werden, einander aufheben, um den Differentialstrom zu erzeugen.

4. Prüfgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor einen Ver­ stärker zum Verstärken des Differentialstroms aufweist, und eine Phasen/Amplitudenerfassungs- und -zusammen­ setzungseinheit zum Erfassen und Synthetisieren der Amplituden- und Phasenkomponenten von den Amplituden- und Phasendetektoren, um das zusammengesetzte Signal zu erzeugen.

5. Prüfgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Phasen/Amplitudenerfassungs- und -zusammen­ setzungseinheit einen Amplitudendetektor zum Erfassen der Amplitudenkomponente vom Differentialsignal umfaßt, einen Phasendetektor zum Erfassen der Phasenkomponente vom Differentialsignal, und eine Schaltung zum Synthetisieren der Amplituden- und Phasenkomponenten von den Amplituden- und Phasendetektoren, um das zusammengesetzte Signal zu erzeugen.

6. Prüfgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das zusammengesetzte Signal in einer Wellenform vorliegt und auf einer Anzeigeeinheit angezeigt wird.

7. Prüfgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Wechselstrom vom Oszillator frequenzmäßig eingestellt wird, um die Phasen- und Ampli­ tudenkomponenten des zusammengesetzten Signals vom Signalprozessor mit der Frequenz des Wechselstroms zu variieren.

8. Prüfgerät, wie unter Bezugnahme auf die Fig. 2, 3A, 3B, 4 oder 5 der beiliegenden Zeichnung beschrieben.