DE19748556A1 - Magnetfluß-Meßsystem zur Wirbelstromprüfung und Verfahren zur Wirbelstromprüfung - Google Patents
Magnetfluß-Meßsystem zur Wirbelstromprüfung und Verfahren zur WirbelstromprüfungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Magnetfluß-Meßsystem zur Wirbel
stromprüfung mit einem Meßfühler und einer Meßsignalverarbei
tungseinheit, wobei die Meßsignalverarbeitungseinheit einen
SQUID-Sensor aufweist, der mit dem Meßfühler elektrisch ver
bunden ist.
SQUID ist die Abkürzung für die englische Bezeichnung "Super
conducting Quantum Interference Device". Ein SQUID-Sensor
setzt als Wandler Magnetfluß in elektrische Spannung um, wo
bei zu seinem Aufbau supraleitende Materialien verwendet wer
den.
Ein solches Magnetfluß-Meßsystem ist bekannt aus dem Artikel
von Walter N. Podney, "Eddy Current Evaluation of Airframes
Using Refrigerated SQUIDs", IEEE Trans. on Applied Supercon
ductivity, Vol. 5, No. 2, 07.1995, pp. 2490-2492. Bei dem be
schriebenen Magnetfluß-Meßsystem zur Wirbelstromprüfung wird
mit Hilfe einer von einem Wechselstrom durchflossenen Erre
gerspule in einem aus leitfähigem Material bestehenden Prüf
objekt ein Wirbelstrom induziert, dessen Magnetfeld, welches
das zu messende Magnetfeld ist, mit Hilfe eines Meßfühlers
erfaßt wird. Der Meßfühler gibt ein entsprechendes Meßsignal
ab, welches über eine elektrische Verbindung einem zu der
Meßsignalverarbeitungseinheit gehörenden SQUID-Sensor zuge
leitet wird. Der SQUID-Sensor gibt ein entsprechendes SQUID-
Meßsignal ab, welches in der Meßsignalverarbeitungseinheit
weiter verarbeitet wird. Hierbei kann auf die Beschaffenheit
des Prüfobjekts und auf Fehlerstellen im Prüfobjekt geschlos
sen werden.
Der Meßfühler und die elektrische Verbindung des beschriebe
nen Magnetfluß-Meßsystems sind supraleitend ausgeführt. Daher
müssen sowohl Meßfühler, als auch elektrische Verbindung so
wie SQUID-Sensor auf eine Temperatur gekühlt werden, bei der
sich die Supraleitung ausbildet. Zu diesem Zweck befinden
sich der Meßfühler, die elektrische Verbindung und der SQUID-
Sensor in einem thermisch isolierten Gefäß, in dem ein Kühl
mittel zu deren Kühlung vorhanden ist. Aufgrund der Tatsache,
daß sich der Meßfühler in einem Gefäß befindet, ist er schwer
handhabbar und kann nur mit einem nicht vernachlässigbaren
Abstand in die Nähe einer Oberfläche des Prüfobjekt gebracht
werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives Magnetfluß-
Meßsystem anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfah
ren zur Wirbelstromprüfung anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die auf ein Magnetfluß-Meßsystem gerich
tete Aufgabe gelöst durch ein Magnetfluß-Meßsystem nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1, bei dem der Meßfühler eine
normal leitende Detektorspule aufweist.
Vorteilhaft ist hierbei, daß sämtliche Kühlmaßnahmen und Ap
paraturen zur Kühlung des Meßfühlers entfallen. Des weiteren
ist eine normalleitende Detektorspule in einem erheblich ge
ringeren Abstand an die Oberfläche des zu untersuchenden
Prüfobjektes ankoppelbar, wobei der verbleibende Abstand im
wesentlichen durch die Dicke einer elektrischen Isolations
schicht zwischen Meßfühler und Oberfläche gegeben ist.
Vorzugsweise weist die normalleitende Detektorspule eine In
duktivität L und einen ohmschen Widerstand R so auf, daß bei
einer Frequenz f = 100 kHz der induktive Widerstand ZL = 2.π.f.L
der Detektorspule gleich oder größer als der ohm
sche Widerstand R ist. Die Frequenz f ist als untere Grenz
frequenz des Meßfühlers zu betrachten und entspricht somit
einer minimal verwendbaren Frequenz eines Erregerstromes, mit
dem die Erregerspule beaufschlagt werden kann. Je kleiner die
Frequenz des Erregerstromes ist, umso größer ist die Ein
dringtiefe des mit der Erregerspule induzierten Wirbelstroms
in das Prüfobjekt und umso tiefer können somit mit dem Meß
fühler erfaßbare Fehlerstellen liegen.
Bevorzugtermaßen weist die Detektorspule einen magnetisierba
ren Kern, insbesondere einen Ferritkern auf, dessen Permeabi
litätskonstante zwischen 10 und 1000, insbesondere bei 100
liegt. Mit Hilfe des magnetisierbaren Kerns kann die Indukti
vität der Detektorspule erheblich erhöht und damit die Fre
quenz f weiter erniedrigt werden. Der Kern dient weiterhin
der Führung des zu messenden Magnetfeldes durch die Detektor
spule, so daß das zu messende Magnetfeld nahezu jede Windung
gleichermaßen durchdringt und die Detektorspule gut an das zu
messende Magnetfeld angekoppelt ist.
Bevorzugtermaßen weist der Meßfühler eine Erregerspule und
eine Detektorspule auf. Ein durch die Erregerspule fließender
Wechselstrom kann gegebenenfalls aufgrund einer vorhandenen
induktiven Verkopplung zwischen Erreger- und Detektorspule in
letzterer einen Störstrom induzieren, der sich dem Meßsignal
überlagert, was sich für die weitere Verarbeitung in der Meß
signalverabeitungseinheit beeinträchtigend auswirken kann.
Daher weist die Detektorspule vorzugsweise zwei Teilspulen
auf. Der Meßfühler ist so ausgeführt, daß jede Teilspule mit
der Erregerteilspule induktiv über dadurch gebildete Gegenin
duktivitäten verkoppelt ist, wobei die Gegeninduktivitäten
möglichst gleich groß sind. Die induktiven Verkopplungen sind
derart ausgeführt, daß ein durch die Erregerspule fließender
Wechselstrom in den Teilspulen jeweils einen Teilstrom indu
ziert, wobei die Teilströme gegensinnig gerichtet sind. Ein
durch das Feld der Erregerspule in der Detektorspule erzeug
ter Störstrom, welcher der Summenstrom der Teilströme ist,
ist somit sehr gering, da sich die Teilströme zum Teil gegen
seitig aufheben.
Durch den Aufbau des Meßfühlers bedingt können die Gegenin
duktivitäten gegebenenfalls leicht unterschiedlich sein, was
zu unterschiedlich großen Teilströmen führt, so daß keine
vollständige gegenseitige Aufhebung der Teilströme gegeben
ist und somit deren verbleibende Summe als Störstrom ver
bleibt. Bevorzugtermaßen weist daher die Erregerspule zwei
Erregerteilspulen auf, wobei jede Erregerteilspule mit je
weils einer Teilspule so verkoppelt ist, daß die induzierten
Teilströme ebenfalls gegensinnig gerichtet sind. Die Erreger
teilspulen sind mit einem Widerstandsnetzwerk verbunden, wel
ches mindestens einen veränderbaren Widerstand aufweist. Mit
Hilfe des veränderbaren Widerstandes sind sich in den Erre
gerteilspulen ausbildende Erregerteilströme so beeinflußbar,
daß die jeweiligen Beträge der Teilströme weitestgehend
gleich groß eingestellt werden können, so daß sich die Teil
ströme nahezu aufheben, was als Abgleich bezeichnet wird.
Nach einem Abgleich induziert ein durch die Erregerspule
fließender Wechselstrom nahezu keinen Störstrom in der Detek
torspule. Weiterhin bevorzugt sind die zwei Teilspulen paral
lel zueinander geschaltet, weisen entgegengesetzten Wick
lungssinn sowie jeweils gleiche Induktivität auf, und die Er
regerteilspulen sind in Serie geschaltet, weisen gleichen
Wicklungssinn sowie ebenfalls jeweils gleiche Induktivität
auf.
In einer weiter bevorzugten Ausführung ist die Detektorspule
des Meßfühlers als Flachspule ausgebildet. Hierbei werden mit
einem heiter mehrere Windungen nebeneinander auf einem fla
chen Substrat gebildet, wobei die Windungen die Flachspule
bilden. Vorteilhaft an dieser Gestaltung des Meßfühlers ist,
daß jede Windung der Flachspule mit einem geringen Abstand an
das Prüfobjekt angekoppelt werden kann. Ebenso durchdringt
das zu messende Magnetfeld jede Windung der Flachspule, so
daß diese ebenfalls gut an das zu messende Magnetfeld ange
koppelt ist, ohne daß ein magnetisierbarer Kern zum Einsatz
kommt. Dadurch weist die als Flachspule ausgebildete Detek
torspule eine hohe Empfindlichkeit auf.
Bevorzugtermaßen weist der elektrische Leiter mit dem die das
Meßsignal liefernde Flachspule gebildet wird, einen Leiter
durchmesser aufs wobei zwei benachbarte Windungen einen Ab
stand zueinander aufweisen, der größer als der Leiterdurch
messer ist. Durch diese Maßnahme wird die zwischen den Win
dungen befindliche Fläche der Flachspule, die bei einer Er
fassung eines Magnetfeldes mit einem Magnetfluß durchströmbar
ist, vergrößert und gleichzeitig aufgrund des größeren Ab
standes der Windungen zueinander die Gesamtinduktivität der
Flachspule verringert. Ein aufgrund eines zu messenden Ma
gnetfeldes in der Flachspule induzierter Strom ist somit grö
ßer, als bei einer Spule, die die gleiche mit einem Magnet
fluß durchströmbare Fläche aufweist, aber aufgrund der unmit
telbaren Nähe ihrer Windungen zueinander und einer damit ver
bundenen größeren magnetischen Verkopplung der Windungen eine
größere Induktivität besitzt.
Vorzugsweise wird der Leiter der Flachspule unter Anwendung
von fotolithographischen, drucktechnischen, ätztechnischen
oder auch rein mechanische Verfahren durch Strukturierung ei
ner leitfähigen Schicht, welche sich auf einem nichtleitfähi
gen Substrat befindet, gebildet. Eine solche Anordnung ist in
großen Stückzahlen und in Abmessungen mit geringen Toleranzen
herstellbar.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Meß
signalverarbeitungseinheit eine Leiteranordnung und der
SQUID-Sensor eine supraleitende Antenne auf, wobei die Lei
teranordnung für eine positive Rückkopplung zur Vergrößerung
eines Spannungssignals des SQUID-Sensors induktiv mit der An
tenne gekoppelt ist. Ein vom SQUID-Sensor geliefertes Span
nungssignal bewirkt einen Stromfluß durch die Leiteranord
nung. Aufgrund des Stromflusses wird über die induktive Kopp
lung in der supraleitenden Antenne ein Strom induziert, der
wiederum auf den SQUID-Sensor so zurückwirkt, daß das vom
SQUID-Sensor gelieferte Spannungssignal vergrößert wird. Dies
ist als eine positive Rückkopplung zu verstehen. Der SQUID-
Sensor weist durch diese Maßnahme eine erhöhte Empfindlich
keit auf.
Vorzugsweise weist die Leiteranordnung einen normalleitenden
Leiter und einen supraleitenden Leiter auf, wobei der supra
leitende Leiter induktiv mit der Antenne gekoppelt ist. Der
normalleitende Leiter bildet einen ohmschen Widerstand, wobei
durch die Größe des ohmschen Widerstandes die Stärke des auf
grund des Spannungssignals in der Leiteranordnung hervorgeru
fenen Stromes beeinflußt und damit die Stärke der Rückkopp
lung eingestellt wird.
Die auf das Verfahren zur Wirbelstromprüfung gerichtete Auf
gabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem in einem Prüf
objekt aus elektrisch leitfähigem Material, welches Fehler
stellen mit einer Tiefe und einer Breite aufweisen kann, ein
Wirbelstrom induziert wird, dessen Magnetfeld durch einen
Meßfühler erfaßt wird und in diesem ein Meßsignal hervorruft,
welches einem SQUID-Sensor in einer Meßsignalverarbeitungs
einheit zugeleitet wird, von diesem in ein SQUID-Meßsignal
gewandelt und auf der Grundlage des SQUID-Meßsignals zur Er
mittlung von Fehlerstellen, insbesondere derer Tiefen, ein
Vergleich mit Referenzsignalen durchgeführt wird.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren ein Referenzsignal mit
tels einer Referenz-Wirbelstromprüfung an einem Referenzob
jekt aus dem elektrisch leitfähigem Material ermittelt, wel
ches eine in ihren Abmessungen, insbesondere der Tiefe, be
kannte Referenzfehlerstelle aufweist.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispie
le wird das Magnetfluß-Meßsystem näher erläutert. Es zeigen
schematisiert und teilweise nicht maßstäblich unter Darstel
lung der für die Erläuterung verwendeten konstruktiven und
funktionellen Merkmale:
Fig. 1 ein Magnetfluß-Meßsystem für eine Wirbelstromprüfung,
Fig. 2 den in FIG 1 spezifizierten Ausschnitt mit dem Meßfüh
ler,
Fig. 3 ein Ersatzschaltbild der Detektorspule des Meßfühlers,
Fig. 4 ein mit Flachspulen ausgeführter Meßfühler,
Fig. 5 ein abgleichbarer Meßfühler und
Fig. 6 eine Draufsicht auf einen schematisiert dargestellten
SQUID-Sensor.
Die Bezugszeichen sämtlicher Figuren haben jeweils die glei
che Bedeutung.
Die Fig. 1 zeigt ein Magnetfluß-Meßsystem 1 zur Wirbelstrom
prüfung. Das Magnetfluß-Meßsystem 1 weist einen Meßfühler 2
und eine Meßsignalverarbeitungseinheit 3 auf. Der Meßfühler 2
befindet sich in der Nähe eines zu untersuchenden Prüfobjek
tes 4, welches aus elektrisch leitfähigem Material besteht.
Die Meßsignalverarbeitungseinheit 3 weist einen SQUID-Sensor
5 auf, mit welchem der Meßfühler 2 elektrisch verbunden ist.
Der SQUID-Sensor 5 ist mit einem Verstärker 7 und mit weite
ren nicht näher dargestellte Signalverarbeitungsstufen ver
bunden. Der Meßfühler 2 weist einen Ferritkern 8 auf, auf den
eine normalleitende Detektorspule 9 aufgewickelt ist, welche
die Anschlußklemmen 6 und 6' aufweist. Weiterhin ist auf den
Ferritkern 8 eine Erregerspule 10 gewickelt, die mit einem
Signalgenerator 11 elektrisch verbunden ist.
Zur Untersuchung des Prüfobjektes 4 wird über ein Magnetfeld
der Erregerspule 10 in dem Prüfobjekt 4 ein Wirbelstrom 12
induziert. Dazu wird die Erregerspule 10 mit einem vom Si
gnalgenerator 11 gelieferten hochfrequenten Wechselstrom Iw
beaufschlagt. Ein vom Wirbelstrom 12 erzeugtes Magnetfeld 13
wird mit Hilfe der normal leitenden Detektorspule 9 des Meß
fühlers 2 erfaßt, in der ein entsprechender Strom induziert
wird. Dieser induzierte Strom wird als Meßsignal 14 dem
SQUID-Sensor 5 zugeleitet. Mit Hilfe des SQUID-Sensors 5 wird
das Meßsignal 14 in ein SQUID-Meßsignal 15 gewandelt, welches
dem nachfolgenden Verstärker 7 zur weiteren Verarbeitung zu
geleitet wird. Der SQUID-Sensor 5 befindet sich in einem
thermischen Isolationsgefäß 16, welches mit einem Kühlmittel
17 gefüllt ist. Mit Hilfe des Kühlmittels 17 wird der SQUID-
Sensor 5 auf eine Temperatur gekühlt, bei der seine supralei
tende Eigenschaft gewährleistet ist.
Vorteilhaft an der Verwendung einer normal leitenden Detektor
spule 9 im Meßfühler 2 ist, daß aufwendige Kühlmaßnahmen zur
Kühlung des Meßfühlers 2 entfallen. Mit dem Wegfall aufwendi
ger Kühlmaßnahmen wird eine höhere Flexibilität und eine
leichtere Handhabbarkeit des Meßfühlers 2 beim Einsatz er
reicht. Des weiteren ist der Meßfühler 2 in einem geringen
Abstand zu einer nicht näher dargestellten Oberfläche des
Prüfobjektes 4 positionierbar, wobei der geringe Abstand
durch das Vorhandensein einer nicht näher dargestellten elek
trischen Isolationsschicht zwischen Meßfühler und der Ober
fläche bedingt ist.
Fig. 2 zeigt vergrößert den in Fig. 1 dargestellten Meßfühler
2. Hierbei ist die normalleitende Detektorspule 9 mit ihren
Klemmen 6 und 6' und dem Ferritkern 8 dargestellt ist. Die
normalleitende Detektorspule 9 ist als ein Leiter 18, der in
mehreren Windungen 19 um den Ferritkern 8 gewickelt ist, aus
geführt.
Fig. 3 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der normallei
tenden Detektorspule 9. Das Ersatzschaltbild der Detektorspu
le 9 weist eine Induktivität L in Serie geschaltet zu einem
ohmschen Widerstand R auf. Mit dem ohmschen Widerstand R wird
der ohmsche Widerstand des Leiters 18 nachgebildet. Die De
tektorspule 9 ist dabei so aufgebaut, daß bei einer Frequenz
f von 100 kHz der induktive Widerstand ZL der Spule L gegeben
durch ZL = 2.π.f.L gleich oder größer als der ohmsche
Widerstand R ist. Die Frequenz f beeinflußt dabei eine untere
Grenzfrequenz für den Einsatz des Meßfühlers.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Detektorspule 9 als
eine Flachspule 20 dargestellt, die sich auf einem Substrat
21 befindet. Des weiteren weist der Meßfühler 2 eine als
Flachspule ausgeführte Erregerspule 10 mit den Klemmen 22 und
22' auf. Die Flachspule 20 weist mehrere mit einem elektri
schen Leiter 18 gebildete Windungen 19 auf, die zueinander
einen Abstand 23 aufweisen. Der Leiter 18 weist einen Leiter
durchmesser 24 auf. Der Abstand 23 zwischen benachbarten Win
dungen 19 ist größer als der Leiterdurchmesser 24. Vorteil
haft an einer Ausführung der Detektorspule 9 des Meßfühlers 2
als Flachspule 20 ist, daß die Flachspule 20 mit all ihren
Windungen 19 nahezu abstandsfrei an eine Oberfläche eines
nicht näher dargestellten Prüfobjekts 4 (siehe z. B. Fig. 1)
gebracht werden kann. Der verbleibende Abstand zum Prüfobjekt
4 wird hier bestimmt durch eine Dicke einer nicht näher dar
gestellten elektrischen Isolationsschicht zwischen den Win
dungen 19 und der Oberfläche.
Bei einer Ausführung der Flachspule 20 mit dem Abstand 23
zwischen den Windungen 19 weist die Flachspule 20 eine gerin
ge Induktivität LF auf, wobei die mit den Windungen 19 aufge
spannte Fläche 25 sehr groß ist. Ein Vorteil ist, daß ein
durch die Fläche 25 strömender zeitlich veränderlicher Ma
gnetfluß eines zu messenden Magnetfeldes in den Windungen 19
der Flachspule 20 somit einen sehr hohen Strom IF, der als
Meßsignal 14 dient, induziert. Würden die Windungen 19 der
Flachspule 20 einen geringeren Abstand als den Abstand 23
aufweisen, so wäre deren Induktivität größer. Weiterhin wäre
die mit den Windungen 19 umfaßte Fläche kleiner, als die Flä
che 25. Somit wäre mit dieser Spulenanordnung bei höherer In
duktivität nur ein geringerer zeitlich veränderlicher Fluß
des zu messenden Magnetfeldes erfaßbar, wobei ein viel klei
nerer Strom in den Windungen 19 induziert und als Meßsignal
14 zur Verfügung stehen würde. Eine solche Spule besäße somit
eine geringere Empfindlichkeit, als die in Fig. 4 dargestellte
Flachspule 20.
In Fig. 5 ist ein abgleichbarer Meßfühler 2 dargestellt. Er
weist eine als Flachspule ausgeführte Erregerspule 10 mit den
Klemmen 22 und 22' und eine zur Erfassung eines zu messenden
Magnetfeldes dienende Detektorspule 33 mit den Klemmen 6 und
6' auf, die ebenfalls als Flachspule ausgeführt ist. Die De
tektorspule 33 weist zwei parallelgeschaltete Teilspulen 34
und 34a auf, die entgegengesetzten Wicklungssinn und gleiche
Induktivitäten L1 besitzen. Die Erregerspule 10 wird gebildet
aus zwei in Serie geschalteten Erregerteilspulen 35 und 35a,
die gleichen Wicklungssinn und gleiche weitere Induktivitäten
L2 aufweisen. Jeder Erregerteilspule 35 und 35a ist jeweils
ein Widerstand R1, bzw. R2 parallelgeschaltet, wobei der Wi
derstand R1 in einen Abgleich in dem Bereich R2-ΔR≦R2≦R2+ΔR
einstellbar ist. Mit den Widerständen R1 und R2 wird ein Wi
derstandsnetzwerk 36 gebildet. Die Erregerteilspulen 35 und
35a sind jeweils mit den Teilspulen 34 bzw. 34a induktiv
über Gegeninduktivitäten M1, bzw. M2 verkoppelt. Die Gegenin
duktivitäten M1 und M2 können durch den Aufbau des Meßfühlers
2 bedingt unterschiedlich sein. Ein in die Klemme 22 einge
speister Erregerstrom IE teilt sich entsprechend der Werte R1
und L2, bzw. R2 und L2 in die Ströme IR1 und IE1, bzw. IR2 und
IE2 auf. Die Stärke des Stromes IR1 und-damit die Stärke des
Stromes IE1 kann durch Variation des Widerstandes R1 verändert
werden. Somit ist die Stärke des Stromes IE1 so einstellbar,
das über die Gegeninduktivitäten M1 und M2 in den Teilwick
lungen 34 und 34a induzierte Teilströme ID1, bzw. ID2 nahezu
gleich groß sind. Die Art der induktiven Verkopplung zwischen
den jeweiligen Erregerteilspulen 35 und 35a und den Teilspu
len 34 bzw. 34a ist so ausgeführt, das die Teilströme ID1
und ID2 entgegengesetzte Flußrichtung aufweisen und sich so
mit weitgehend aufheben, so daß nur ein nahezu verschwinden
der Störstrom IS an der Klemme 6 abgreifbar ist. Eine Ausbil
dung eines Störstrom IS in der Detektorspule 33 aufgrund des
Erregerstromes IE ist somit nahezu vollständig vermieden und
der Meßfühler 2 ist dazu auf einen minimalen Störstrom IS ab
gleichbar.
In Fig. 6 ist schematisch ein SQUID-Sensor 5 dargestellt. Der
SQUID-Sensor 5 weist zwei SQUID-Fluß-Wandler 26a und 26b auf,
die elektrisch an eine supraleitende Antenne 27 angekoppelt
sind. Mit Hilfe von Gleichströmen IB1 und IB2, die über die
SQUID-Fluß-Wandler 26a und 26b zu nicht näher spezifizierten
Massekontakten 30 fließen, wird der jeweilige Arbeitspunkt
der SQUID-Fluß-Wandler 26a und 26b eingestellt. Eine Einkop
pelspule 28 ist induktiv mit der supraleitenden Antenne 27
verkoppelt. Ein durch die Einkoppelspule 28 fließender Strom
IE induziert in der supraleitenden Antenne 27 einen Strom IQ,
der über jeweils einen Teil der SQUID-Fluß-Wandler 26a und
26b fließt. Dabei geben die SQUID-Fluß-Wandler 26a und 26b in
Beziehung zu dem Strom IQ jeweils ein Spannungssignal VS1 und
VS2 ab. Der SQUID-Fluß-Wandler 26a ist mit einer Leiteranord
nung 31, die einen induktiven Leiter 32 und einen normallei
tenden, in der Zeichnung symbolisch mit einem Widerstand R
dargestellten Leiter, elektrisch verbunden. Der induktive
Leiter 32 ist induktiv mit der supraleitenden Antenne 27 ge
koppelt. Ein vom SQUID-Fluß-Wandler 26a erzeugtes Spannungs
signal VS1 erzeugt einen Strom IL über die Leiteranordnung 31.
Aufgrund der induktiven Verkopplung zwischen dem Leiter 32
und supraleitender Antenne 27, wird der Strom IQ in der su
praleitenden Antenne 27 erhöht, wodurch das Spannungssignal
VS1 vergrößert wird. Dieses Verhalten wird als positive Rück
kopplung bezeichnet. Durch die Rückkopplung über die Leiter
anordnung 31 wird somit die Empfindlichkeit des SQUID-Sensors
5 erhöht. Durch die Wahl der Größe des ohmschen Widerstandes
12 kann auf die Stärke des Stromes IL und damit auf das Maß
der Rückkopplung Einfluß genommen werden.
Das Verfahren zur Wirbelstromprüfung wird anhand der Fig. 1
erläutert. In einem Prüfobjekt 4 aus leitfähigem Material,
welche unbekannte Fehlerstellen aufweisen kann, wird ein Wir
belstrom 12 induziert, dessen Magnetfeld 13 mit Hilfe einer
Detektorspule 9 eines Meßfühlers 2 erfaßt wird. In der Detek
torspule 9 wird durch das Magnetfeld 13 ein Meßsignal 14 her
vorgerufen, welches einem SQUID-Sensor 5 in einer Meßsignal
verarbeitungseinheit 3 zugeleitet wird. Von dem SQUID-Sensor
5 wird das Meßsignal 14 in ein SQUID-Meßsignal 15 gewandelt,
welches SQUID-Meßsignal 15 in der Meßsignalverarbeitungsein
heit 3 weiterverarbeitet wird. Dazu wird auf der Grundlage
des SQUID-Meßsignals 15 ein Vergleich mit Referenzsignalen
durchgeführt, wobei Fehlerstellen und deren Abmessungen er
mittelt werden.
Ein Referenzsignal wird mittels einer Referenz-Wirbelstrom
prüfung gewonnen. Dazu wird das beschriebene Verfahren zur
Wirbelstromprüfung angewendet auf ein bekanntes Prüfobjekt,
ein sogenanntes Referenzobjekt, welches aus dem elektrisch
leitfähigen Material besteht, aus dem spätere zu prüfende
Prüfobjekte hergestellt sind. Das Referenzobjekt weist eine
in ihren Abmessungen, insbesondere der Tiefe, bekannte Refe
renzfehlerstelle auf, die bei einer Referenz-Wirbelstromprü
fung zur Ausbildung eines Referenzsignals führt.
Claims (14)
1. Magnetfluß-Meßsystem (1) zur Wirbelstromprüfung mit einem
Meßfühler (2) und einer Meßsignalverarbeitungseinheit (3),
wobei die Meßsignalverarbeitungseinheit (3) einen SQUID-Sen
sor (5) aufweist, der mit dem Meßfühler (2) elektrisch ver
bunden ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Meßfühler (2) eine normalleitende Detektorspule (9)
aufweist.
2. Magnetfluß-Meßsystem (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die nor
malleitende Detektorspule (9) eine Induktivität L und einen
ohmschen Widerstand R aufweist, wobei bei einer Frequenz f
von 100 kHz der induktive Widerstand ZL = 2.π.f.L der
Detektorspule (9) gleich oder größer als der ohmsche Wider
stand R ist.
3. Magnetfluß-Meßsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Detek
torspule (9) einen magnetisierbaren Kern (8), insbesondere
einen Ferritkern, aufweist, dessen Permeabilitätskonstante
zwischen 10 und 1000, insbesondere bei 100 liegt.
4. Magnetfluß-Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß der
Meßfühler (2) eine Erregerspule (10) und eine Detektorspule
aufweist (9), wobei die Detektorspule (9) zwei Teilspulen
(34, 34a) aufweist und jede Teilspule (34, 34a) mit der Erre
gerspule (10) induktiv so verkoppelt ist, daß ein elektrischer
Strom in der Erregerspule (10) in den Teilspulen (34, 34a)
jeweils einen elektrischen Teilstrom (ID1, ID2) induziert, wo
bei die elektrischen Teilströme (ID1, ID2) gegensinnig gerich
tet sind.
5. Magnetfluß-Meßsystem nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Erregerspule (10) zwei Erregerteilspulen (35, 35a) auf
weist, wobei jede Erregerteilspule mit jeweils einer Teil
spule (34, 34a) induktiv verkoppelt ist.
6. Magnetfluß-Meßsystem nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Teil
spulen (34, 34a) parallel geschaltet sind und entgegengesetz
tem Wicklungssinn und jeweils gleiche Induktivität (L1) auf
weisen und die Erregerteilspulen (35, 35a) in Serie geschal
tet sind und gleichen Wicklungssinn und jeweils gleiche In
duktivität (L2) aufweisen.
7. Magnetfluß-Meßsystem nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erre
gerteilspulen (35, 35a) mit einem Widerstandsnetzwerk (36)
verbunden sind, wobei das Widerstandsnetzwerk (36) mindestens
einen veränderbaren Widerstand (R1) aufweist, durch den die
sich in den Erregerteilspulen (35, 35a) ausbildenden Erreger
teilströme (IE1, IE2) so beeinflußbar sind, daß die Teilströme
(ID1, ID2) weitgehend gleichen Betrag aufweisen.
8. Magnetfluß-Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die
Detektorspule (9) und/oder die Erregerspule (10) jeweils in
Form einer Flachspule ausgebildet sind/ist.
9. Magnetfluß-Meßsystem (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die als
Flachspule (20) ausgebildete Detektorspule (9) einen elektri
schen Leiter (18) mit einem Leiterdurchmesser (24) aufweist
und mit dem Leiter (18) Windungen (19) gebildet sind, wobei
zwei benachbarte Windungen (19) einen Abstand (23) zueinander
aufweisen, der größer als der Leiterdurchmesser (24) ist.
10. Magnetfluß-Meßsystem (1) nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter
(18) der Flachspule (20) durch Strukturierung einer leitfä
higen Schicht, welche sich auf einem nichtleitfähigen Sub
strat befindet, gebildet ist.
11. Magnetfluß-Meßsystem (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßsignalverarbeitungseinheit (3) eine Leiteranord
nung (31) und der SQUID-Sensor (5) eine supraleitende Antenne
(27) aufweist und die Leiteranordnung (31) für eine positive
Rückkopplung zur Vergrößerung eines Spannungssignals (VS1,
VS2) des SQUID-Sensors (5) induktiv mit der Antenne (27) ge
koppelt ist.
12. Magnetfluß-Meßsystem (1) nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lei
teranordnung (31) einen normalleitenden Leiter (R) und einen
supraleitenden Leiter (32) aufweist, wobei letzterer induktiv
mit der Antenne (27) gekoppelt ist.
13. Verfahren zur Wirbelstromprüfung, bei dem in einem Prüf
objekt (4) aus elektrisch leitfähigem Material, welches Feh
lerstellen mit einer Tiefe und einer Breite aufweisen kann,
ein Wirbelstrom (12) induziert wird, dessen Magnetfeld (13)
durch einen Meßfühler (2) erfaßt wird und in diesem ein Meß
signal (14) hervorruft, welches einem SQUID-Sensor (5) in ei
ner Meßsignalverarbeitungseinheit (3) zugeleitet wird, von
diesem in ein SQUID-Meßsignal (15) gewandelt und auf der
Grundlage des SQUID-Meßsignals (15) zur Ermittlung der Feh
lerstellen, insbesondere derer Tiefen, ein Vergleich mit Re
ferenzsignalen durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Refe
renzsignal mittels einer Referenz-Wirbelstromprüfung an einem
Referenzobjekt aus dem elektrisch leitfähigen Material ermit
telt wird, welches zumindest eine in ihren Abmessungen, ins
besondere der Tiefe, bekannte Referenzfehlerstelle aufweist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19748556A DE19748556A1 (de) | 1997-11-04 | 1997-11-04 | Magnetfluß-Meßsystem zur Wirbelstromprüfung und Verfahren zur Wirbelstromprüfung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19748556A DE19748556A1 (de) | 1997-11-04 | 1997-11-04 | Magnetfluß-Meßsystem zur Wirbelstromprüfung und Verfahren zur Wirbelstromprüfung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE19748556A1 true DE19748556A1 (de) | 1999-05-20 |
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ID=7847493
Family Applications (1)
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DE19748556A Ceased DE19748556A1 (de) | 1997-11-04 | 1997-11-04 | Magnetfluß-Meßsystem zur Wirbelstromprüfung und Verfahren zur Wirbelstromprüfung |
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Country | Link |
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DE (1) | DE19748556A1 (de) |
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