DE2404570B2 - Impulsstromregelschaltung für den Strom, der durch eine Prüfspule eines gepulsten Wirbelstrom-Prüfgerätes fließt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Impulsstromregelschaltung für den Strom, der durch eine Prüfspule eines gepulsten Wirbelstrom-Prüfgerätes fließt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein gepulstes Wirbelstrom-Prüfgerät ist aus der DE-AS 23 62 312 bekannt. Dieses Wirbelstrom-Prüfgerät erzeugt stabile Impulse, die in ihrer Länge, Amplitude und Folgefrequenz genau geregelt sind.

Es hat sich in der Praxis herausgestellt, daß sich unter gewissen Betriebsbedingungen die Impedanz der Prüfspule während des Betriebs erheblich ändern kann, zum Beispiel infolge einer Zunahme der Spulenimpedanz, wenn die Spule erwärmt wird, oder infolge anderer Faktoren, wie zum Beispiel eine Belastung der Spute durch den zu untersuchenden Gegenstand. Wenn die Spulenimpedanz zunimmt, nimmt der der Spule zugeführte Strom ab, und die Empfindlichkeit des Gerätes für Fehler oder Risse wird verringert. Zusätzlich können verschiedene Spulen, auch wenn sie weitgehend identisch gebaut sind, in der Praxis etwas verschiedene Impedanzen besitzen, was die Empfind' lichkeil beeinflußt. Diese Effekte sind insbesondere bei niedrigen Betriebsfrequenzen beachtlich, wo große Ströme verwendet werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gepulstes Wirbelstrom-Prüfgerät zu schaffen, bei dem sich der Mittelwert des Stromes durch die Prüfspule auch bei Änderungen der Spulenimpedanz über einen Regelbereich hinweg nicht ändert.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst

Mit der erfindungsgemäßen Impulsstromregelschaltung wird erreicht, daß der Mittelwert des Stroms der der Prüfspule zugeführten Impulse im wesentlichen konstant bleibt. Neben dem einfachen Aufbau der

ίο erfindungsgemäßen Impulsstromregelschaltung wird der zusätzliche Vorteil erzielt, daß der meist teuere Leistungstransistor, der als Spulentreiber verwendet wird, gegen Überlastung geschützt ist, falls die Prüfspulenanordnung kurzgeschlossen wird.

is Die Ausbildung der Regelschaltung gemäß Anspruch 2 hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Ein als Emitterfolger geschalteter Transistor kann ein für einen Impulsbetrieb über einen großen Bereich von Impulsfolgefrequenzen, beispielsweise von 2,5 kHz bL· 600 kHz geeigneter Hochleistungstransistor sein, der zwar teuer ist, aber durch die Regelschaltung zuverlässig gegen Überlastung geschützt ist.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 3 wird ein besonders vorteilhaftes Regelverhalten erzielt

Das Konstanthalten des mittleren Stromes der der Prüfspule zugeführten Impulse führt dazu, daß die Empfindlichkeit des Prüfgerätes für Rfese und Fehler im zu prüfenden Gegenstand konstant bleibt, auch wenn sich die Impedanz der Prüfspule ändert

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit weiteren Einzelheiten näher erläutert Es stellt dar

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines gepuisten Wirbeistrom-Prüfgerätes,

Fig.2 die Schaltung einer Impulsstromregelschaltung,

F i g. 3 verschiedene, in der Schaltung gemäß F i g. 2 auftretende, Impulsformen.

Fig. 1 zeigt einen Sinuswellen-Oszillator 10, der

einen Oszillator-Schwingkreis Ii enthält und eine Sinuswelle zu einem Rechteckwellengenerator 12 liefert Verschiedene Oszillator-Schwingkreise können über einen Schalter 13 mit dem Oszillator 10 verbunden werden, so daß die Frequenz der Sinuswelle nach Wunsch ausgewählt werden kann. Der Ausgang des Rechteckwellengenerators wird einem Impuls- und Torsteuerungs-Generator 14 und einer Impulssperrschaltung 15 zugeführt Die Impulssperrschaltung hat die Wirkung, alternativ

so die Erzeugung von Ausgangsimpulsen durch den Impulsgenerator 14 zu ermöglichen oder zu verhindern, so daß die Ausgangsimpulse regelmäßig wiederkehrenden, nicht aufeinanderfolgenden Auslenkungen einer Polarität der Rechteckwelle entsprechen, die dem Impulsgenerator zugeführt wird. Dementsprechend werden dem impulstreiber 16 Ausgangsimpulse von einem gewünschten Tastverhältnis zugeführt, wobei die Impulse in ihrem zeitlichen Auftreten und ihrer Dauer in genauer Beziehung zu der halben Periode der Eingangsrechteckwelle stehen, die nicht durch die Impulssperrschaltung ausgeschlossen ist. Wenn daher die Auslenkungen einer Polarität der Eingangsrechteckwelle alternierend ausgeschlossen werden, können Ausgangsimpulse mit einem Tastverhältnis von 25% und einer Impulsfolgefrequenz von der halben Frequenz der Eingangsrechteckwelle und daher der halben Frequenz der ursprünglichen Sinuswelle erzeugt werden.

Der Generator 14 erzeugt weiter um 90° phasenverschobene Tast- oder Torimpulse, die phasenempfindlichen Detektoren 17,18 zugeführt werden.

Die Ausgangsimpulse von dem Impulstreiber 16 werden dem Spulentreiber 19 und dann der Primärwicklung bzw. Prüfspule 21 einer Wirbelstrom-Prüfspulenanordnung zugeführt

Mit 22 ist eine Impulsstromregelschaltung bezeichnet, die später in Zusammenhang mit Fig.2 beschrieben wird. Eine Zer.er-Diode 23 in ein Nebenschluükondensator 24 bilden einen Entladungsweg, um die in der Prüfspule 21 gespeicherte Energie am Ende eines Treiberimpulses abzuführen und die Wellenform des Spulenstroms zu steuern, wie ebenfalls später beschrieben wird.

Zwei Sekundärspulen 25, 25' sind in Reihe gegeneinander geschaltet, so daß sie eine Null-Spulenanordnung bilden, die ein geringes oder gar kein Ausgangssignal bei Abwesenheit eines Risses oder einer anderen Unregelmäßigkeit in dem durch sie durchgeführten Gegenstand 26 liefert, die andererseits ein in der Amplitude und/oder Phase sich änderndes Ausgangssigna! liefert, fails ein Riß oder eine andere Unregelmäßigkeit vornanden ist. Das Ausgangssignal der Null-Spulenanordr.ung wird über einen umschaltbaren Transformator 27 einem abgestimmten Verstärker 28 zugeführt, der einen umschaltbaren Abstimmkreis 29 enthält Verschiedene Transformatoren und Abstimmkreise können zusammen mit dem Umschalten des Oszillator-Schwingkreises 11 in den Betriebszustand eingeschaltet werden.

Der Ausgang des abgestimmten Verstärkers 28 wird den phasenempfindlichen Detektoren 17,18 zusammen mit den um 90° phasenverschobenen Torsteuerimpulsen vom Generator 14 zugeführt, um um 90° phasenverschobene Signalkomponenten zu erzeugen. Diese werden jeweiligen Verstärkern und Filtern 31, 32 und dann einer Anzeige 33, z. B. einer Kathodenstrahlröhre, zugeführt, wie es der bekannten Technik entspricht.

Die obige Anordnung und die speziellen Schaltungen zur Erzeugung der Impulse sind in der DE-AS 23 62 312 beschrieben. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diese spezielle gezeigte Anordnung beschränkt ist, sondern daß sie auch bei anderen Arten von Prüfgeräten und bei anderen Impulserzeugungseinrichtungen verwendet werden kann.

Es sollen nun die Fig.2 und 3 erläutert werden. Mit den Buchstaben a bis d in Fig.2 ist auf die entsprechenden Impulsformen der F i g. 3 hingewiesen. In Fig.3 ist mit dem Bezugsniveau »0« eine Spannungshöhe auf Erdpotential oder in der Nähe des Erdpotentials oder eines anderen Bezugspotentials bezeichnet. Es können an verschiedenen Stellen sowohl pnp- als auch npn-Transistoren verwendet werden, wobei die Auswahj nach Wunsch erfolgen kann und die entsprechenden Änderungen der Spannungen usw. erforderlichenfalls durchgeführt werden müssen, wie es dem Fachmann bekannt ist.

Wie F i g. 2 zeigt, ist der Spulentreiber Q1 ausgangsseitig in Reihe zwischen die Spule 21 und eine Gleichstromversorgung geschaltet, die mit + Kbezeichnet ist. Es wird ein Leistungstransistor bevorzugt, wie gezeigt ist, auch wenn andere Typen von Spulentreibern verwendet werden können, falls es erwünscht ist. Ein Präzisionswiderstand 41 ist in Reihe zwischen die Stromversorgung und den Spulentreiber Q1 geschaltet, um den Mittelwert des Stroms festzustellen, der der Spule 21 zugeführt wiru Eine Regelschaltung, die die Transistoren Q2 und Q3 enthält, spricht auf die Spannung über dem Widerstand 41 an und erzeugt ein Regelsignal b in der Leitung 42. Die Impulse von dem Impulsgenerator 14 (Fig. 1) werden über einem Begrenzer, der den Transistor Q 4 und die Diode Dl enthält, und einen Zwischentreiber Q 5, Q6 zu dem Spulentreiber Q1 geführt Der Begrenzer oder Clipper wird mit dem Regelsignal b gespeist, so daß er die Amplitude der dem Spulentreiber Q 1 zugeführten Impulse in einer solchen Richtung ändert, daß der Mittelwert des Stromes in der Spule 21 konstant bleibt

Im einzelnen sieht die Schaltung folgendermaßen aus. Q1 ist ein Leistungstransistor, der als Emitterfolger geschaltet ist wobei der Emitter mit der Spule 21 und der Kollektor mit der Stromversorgungsleitung 43 verbunden ist Ein Kondensator 44 beseitigt Störungen usw, die in der Leitung 43 entstehen können. Ein großer Filter-Elektrolytkondensator 45 am Ausgangsende des Widerstands 41 beseitigt die meisten Impulsspannungsstöße durch den Widerstand, wenn Q1 gepulst wird, so daß der Strom durch den Wideband ungefähr der Mittelwert des Stromes zu der Spjle 21 ist Bei niedrigen Impulsfolgefrequenzen kann ein sehr großer Kondensator erforderlich sein, um die Impulsspannungsstöße in dem Widerstand vollständig zu beseitigen. A is wirtschaftlichen Gründen und zum Platzsparen können manche Impulsspannungsstöße toleriert werden, da ein zusätzliches Filtern an anderer Stelle in der Regelschaltung stattfindet

Der Widerstand 41 kann nur wenige Ohm betragen, und die über ihm liegende Spannung wird über den Widerstand 46 dem Transistor Q 2 zugeführt Eine Diode 47 schützt den Transistor gegen einen Durchbruch bei Rückwärtsspannung. Der Kollektorausgang von Q 2 wird dem Eingang von Q 3 über Widerstände 48 und 49 zugeführt Q3 wird mit einer Kollektorspannung von der Stromversorgung + V über den Widerstand 51 gespeist der als primärer Lastwiderstand dient Ein großer Filterkondensator 52 beseitigt im wesentlichen alle Spannungsänderungen auf der Leitung 42 infolge von irgendwelchen übrigbleibenden Spannungsstößen im Eingang von dem Widerstand 41 und hält die Regelspannung in der Leitung 42 im wesentlichen konstant trotz des Stromflusses während des Clippens. Ein kleiner Widerstand 53 schützt ζ)3 vor einem zu großen Strom, wenn das Gerät eingeschaltet wird.

Falls kein Strom oder ein kleiner Strom außerhalb des Regelbereichs durch den Widerstand 41 fließt, ist die Spannung in der Leitung 42 auf der Spannung der Stromversorgung oder in deren Nähe, wie durch V₀ in F i g. 3(b) gezeigt ist Wenn der Strom durch den Widerstand 41 anwächst und in den Regelbereich kommt, nimmt die Spannung in Leitung 42 ab, wie durch ^v\ g z-sigt ist. Ein weiteres Ansteigen des Stromes hat eine weitere Spannungsabnahme zur Folge, wie durch V₂ gezeigt ist. Auf diese Weise ändert sich in dem Regelbereich die Spannung in Leitung 42 mit dem gemittelten Strom durch den Widerstand 41 und daher durch die Prüfspule 21.

Die Impulse a von dem Impulsgenerator werden dem Transistor Q 4 zugeführt, der als umkehrender Verstärker wirkt, und dessen Ausgangsimpulse werden über einen Kopplungskreis 54 den Transistoren QS und Q 6 zugeführt, die als Zwischenkomplementärtreiber geschaltet sind, der d<*n Treibertransistor Q1 treibt. Das Begrenzen oder Clippen der Spitzen der Impulse wird durch einen Nebeschlußkreis bewirkt, der die Diode D1 und den Kondensator 55 enthält. Der Kondensator

schützt gegen Störungen usw., die in der Leitung 42 entstehen können, und kann klein sein, da der große Kondensator 52 die hauptsächliche Filterung bewirkt.

Q4 kehrt die Eingangsimpulse um und erzeugt außerhalb des Regelbereichs solche Ausgangsimpulse, ι wie sie in F i g. 3 (c) in ausgezogener Linie gezeigt sind, deren Amplitude mit Vo bezeichnet ist. Diese Impulse besitzen die volle Amplitude, wobei ihre Spitze in der Nähe von + V liegt. Dieser Spitzenwert kann der gleiche sein, wie der Wert + V an der Regelschaltung und der Spulentreiberschaltung. Im Regelbereich, z. B. V|, fließt Strom durch D 1 und clippt die Spitzen der Impulse auf einen Wert V₁ (ohne Berücksichtigung des Kontaktpotentials), wie in F i g. 3(c) gezeigt ist. Für eine niedrigere Regelspannung, etwa V₂, wird ein größerer i> Teil der Impulsspitze abgeschnitten, wie in Fig. 3(c) gezeigt ist. Auf diese Weise nimmt im Regelbereich die Amplitude der begrenzten Impulse ab. wenn die Rcgelspannung abnimmt, und nimmt zu. wenn die Regeispannung zunimmt. Dementsprechend nimmt die Amplitude der begrenzten Impulse ab, wenn der gemittelte Strom durch den Widerstand 41 und die Spule 21 zunimmt und umgekehrt.

Es ist möglich, den Widerstand 51 und die Verbindung mit der Spannungsquelle + V wegzulassen und den 2ί Strom für Q3 und den Kondensator 52 von der Begrenzerschaltung über die Diode D1 zu erhalten. Diese Anordnung hat sich jedoch nicht als so zufriedenstellend erwiesen wie die dargestellte.

Die geregelten Impulse der Fig. 3(c) werden der 1» Basis von Q 1 und durch die Wirkung des Emitterfolgers der Spule 21 zugeführt. Wenn der Spule 21 ein Spannungsimpuls zugeführt wird, steigt infolge der Induktans dieser Spule der Strom mit einer Geschwindigkeit, die durch die Zeitkonstante URdes Ladekreises ü bestimmt ist. wobei L die Spuleninduktanz und R der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung des Stromweges durch die Spule ist. In der hier dargestellten speziellen Ausführungsform ist die Impulsbreite schmaler als die Zeitkonstante, so daß der Strom.instieg bei 56 4n in Fig. 3(e) angenähert linear ist. Wenn der Spulentreiber O 1 am Ende eines Impulses gesperrt wird, fließt der Strotv in der Spule 21 weiter, bis die in der Spule gespeicherte Energie am Ende des Impulses vernichtet ist. Das untere Ende der Spule 21 kann mit Erde verbunden sein, wenn es erwünscht ist. In der dargestellten Ausführungsform wird jedoch eine Zener-Diode 23, die durch einen Kondensator 24 überbrückt ist, verwendet, um das Abführen der gespeicherten Energie und das Formen der Impulse zu unterstützen. w

Wenn ein Strom durch die Prüfspüle 21 fließt, während Impulse zugeführt werden, lädt sich der Kondensator 24 bis zur Zener-Durchbruchsspannung auf, etwa bis +12V. Der Kondensator 24 hält diese Spannung an dem Punkt 57 über die Betriebszeit. Am Ende eines Impulses, wenn die Basis von Q1 auf Erdpoteniial gebracht wird, kehrt sich die Spannung über der Prüfspule 21 um, so daß das obere Ende der Spule negativ in bezug auf den Punkt 57 ist. Diese negative Spannung ist normalerweise in ihrem Absolutwert größer als die positive Spannung bei 57, so daß der Emitter von Q1 negativ gegen Erde ist und Q 1 leitend bleibt. Auf diese Weise besteht ein Stromweg über Q1, die Spule 21 und die Zener-Diode 23 zur Erde, und ein Strom fließt mit der Folge, daß die in der Spule 21 gespeicherte Energie abgeführt wird.

Anfangs kann der Widerstand der Zener-Diode ziemlich gering und nahezu konstant sein. Wenn jedoch der Strom abnimmt und den Knick der Zener-Charakteristik erreicht, wächst der Zener-Widerstand stark an und wird ziemlich stark nicht-linear in Abhängigkeil vom Strom. Wenn der Strom abnimmt, wird auf diese Weise die Entladezeitkonstante L/R kleiner, wobei R den Zener-Widerstand einschließt. Das Gesamtergebnis ist, daß die Entladezeit abnimmt, und der Entladestrom mehr linear mit der Zeit wird,

Fig.3(d) zeigt die Spannung am oberen Ende der Spule 21 und an dem Emitter von Q1. Vor einem Impuls befindet sie sich auf V₇, wie sie durch die Zener-Diode 23 und den Kondensator 24 erzeugt wird. Wenn ein Impuls zugefühn wird, steigt die Spannung auf einen Wert, der von dem Ausmaß der momentanen Regelung abhängt. Am Ende eines Impulses fällt die Spannung bei 58 auf etwa Erdpotential ab, da der Emitter von Q 1 nicht viel unter Erdpotential gehen kann. Am Ende der Entladung sieigt die Spannung auf V₇ und spannt Q I so vor, daß er vollständig gesperrt ist.

Bei geeigneter Wahi der Parameter und spezieiien Zustandsbedingungen kann die Stromwellenform ein etwa gleichschenkliges Dreieck sein, wie in Fig. 3(e) in ausgezogenen Linien gezeigt ist. Unter diesen Bedingungen kann der Entladestrom für eine längere oder kürzere Zeit fließen, da sowohl die Amplitude der Treiberimpulse als auch der Widerstand der Zener-Diode die Entladezeit beeinflussen.

Bei einer gegebenen Impulsfolgefrequenz innerhalb des Regi.-öereichs hält das Konstanthalten des gemittelten Prüfspulenstromes die Spitzenamplitude des Stroms etwa konstant. Es kann eine gewisse Änderung in der Spitzenamplitude des Stromes auftreten, wenn die Impedanz der Prüfspule sich ausreichend ändert, um wesentliche Änderungen in der Stromwellenform zu erzeugen. Die Stromamplitude wird jedoch mehr konstant gehalten, als ohne die Regelwirkung, und in der Praxis hat sich die Regelung als wirksam erwiesen, um eine ausreichende Empfindlichkeit unter den normalerweise auftretenden Betriebsbedingungen einzuhalten.

Eine Änderung der Impulsfolgefrequenz der zugeführten Impulse, wobei das Tastverhältnis konstant gehalten wird, kann ebenfalls die Stromwellenform ändern, da die Impulsbreite und das Zeitintervall zwischen den Impulsen geändert wird. So wird für eine höhere Impulsfolgefrequenz die Ladezeit kürzer, und die Entladezeit kann verhältnismäßig länger sein, wenn die gleiche Prüfspule 21 verwendet wird.

Bei hohen Impulsfolgefrequenzen kann das Gerät aus der Regelung geraten, da die höhere Impedanz der Prüfspule 21 die Stromimpulse auf eine Höhe verringern kann, die einen Mittelwert des Stromes unterhalb des Stromes ergibt, den die Regelung aufgrund itirer Auslegung einhalten kann. Dies kann in der praktischen Verwendung toleriert werden, da der verringerte Stromfluß bei hohen Impulsfolgefrequenzen ein geringeres Erwärmen in der Spule erzeugt Die Regelschaltung kann auch so geändert werden, daß sie über den gewünschten Frequenzbereich regelt

Es soll bemerkt werden, daß für bestimmte Betriebsbedingungen der mittlere Strom in der Prüfspule 21 durch Ändern des Meßwiderstandes 41 geändert werden kann. Ein Vergrößern des Widerstands verringert die Begrenzungshöhe in der Leitung 42 für einen gegebenen Stromfluß und umgekehrt. Die Stromversorgungsspannung für die Regelung, die Q 2 und Q 3 umfaßt, könnte ebenfalls etwas über die für die Begrenzung, die <?4 und Di umfaßt, vergrößert werden, so daß die Impulse näher an ihrer Spitze

geclippt werden können. Ebenso kann, wenn Prüfspulen mit niedrigere Induktanz zweckmäUig sind, ein gröUerer StromfluU für die Spannungsimpulse einer gegebenen Größe erhalten werden, wodurch die Regelung bei höheren Impulsfolgefrequenzen aufrechterhalten werden kann.

Zusätzlich zu der Regelung des Mittelwertes des Spulenstroms hat die Schaltung den beachtlichen Vorteil,<j*.n Spulentreiber Q 1 vor einem Ausbrennen zu schützen, IaIIs die Spule 21 kurzgeschlossen wird. In

solchen Fällen geht der Strom durch den Widerstand 41 sehr stark hoch, was ein starkes Clippen der Impulse zur Folge hat, die Q 1 zugeführt werden, wodurch der Strom in QI auf etwa den ausgewählten mittleren Strom begrenzt wird. Dies ist in der Praxis wichtig, da Hochleistungstransistoren, die für einen Impulsbetrieb über einen weiten Bereich von Impulsfolgefrequenzen, z.B. von etwa 2,5 kHz bis 60OkH/, geeignet sind, ziemlich teuer sind.

Hier/u 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Impulsstromregelschaltung für den Strom, der durch eine Prüfspule eines gepulsten Wirbelstrom-Prüfgerätes fließt, das in einem zu prüfenden Gegenstand Wirbelströme induziert und einen Impulsgenerator zur Erzeugung von unidirektionalen impulsen, eine Gleichspannungsversorgung und einen Spulentreiber aufweist, der ausgangsseitig in Reihe zwischen die Gleichspannungsversorgung und die Prüfspule geschaltet ist und dessen Eingang mit den unidirektionalen Impulsen aus dem Impulsgenerator beaufschlagt ist, um der Prüfspule entsprechende Impulse zuzuführen, gekennzeichnet durch einen Strommeßwiderstand (41), der in Reihe zwischen die Gleichspannungsversorgung und den Spulentreiber (Transistor Qi) geschaltet ist, eine Regelschaltung (Q 2, Q 3, 45) zum Erzeugen eines gefilterten Steuersignals (b), welches dem mittleren, dem Spulentreiber und der Prüfspule (21) zugeführt«, und vom Strommeßwiderstand gemessenen Strom proportional ist, und einen !mpulsarriplituden-Begrenzer (Q 4, Di), welcher auf das Steuersignal anspricht, um die Amplitude der dem Eingang des Spulentreibers zugeführten unidirektionalen Impuls bei Änderungen des Mittelwertes des Stroms zur Prüfspule zu ändern und dadurch den Mittelwert des Stroms zur Prüfspule etwa konstant zu halten.

2. Impulsstromregelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulentreiber ein als Emitterfolger geschalteter Transistor f(? l)isL

3. Impulsstromregelschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an das dem Spulentreiber (Transistor Qi) entgegengesetzte Ende der Prüfspule (21) eine Z.ner-Diode (23) mit einem dazu parallel geschalteten Kondensator (24) angeschlossen ist.