DE2656111B2 - Wirbelstrompriifgerät - Google Patents
WirbelstrompriifgerätInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Wirbelstromprüfgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Wirbelstromprüfung beruht in erster Linie auf Leitfähigkeitsänderungen zur Bestimmung von Rissen
und Fehlern oder ganz allgemein jedwelcher Unregelmäßigkeiten, die den Fluß von Wirbelströmen ände.-n.
Der Einfachheit halber wird der Ausdruck »Risse« im weiteren so verwendet, daß er ähnliche Fehler und
Änderungen einschließt. Wirbelströme werden in einem zu prüfenden Gegenstand induziert. Änderungen der
Wirbelströme werden festgestellt und angezeigt. Beim Prüfen von magnetischem Material rufen Unregelmäßigkeiten
der Permeabilität des Materials ein Untergrundrauschen hervor, das von Rissen und ähnlichem
hervorgerufene Änderungen der Leitfähigkeit überdeckt. Solche Permeabilitätsänderungen können u. a.
auf lokalen Spannungen und Härtungen beruhen. Relativ große Risse können noch feststellbar sein, kleine
Risse bleiben jedoch unentdeckt. Gerade solche kleinen Risse aber können sehr wichtig sein, insbesondere wenn
der Zustand beispielsweise eines Rohres vor seinem Bruch festgestellt werden soll.
Es ist bereits bekannt, zur Sättigung des magnetischen Materials ein mit Gleichstrom erzeugtes Magnetfeld zu
verwenden, um dadurch den Einfluß von Permeabilitätsänderungen auszuschalten. Bei einem bekannten Wirbelstromprüfgerät
gemäß der GB-PS 9 36 033 werden kontinuierlich mit Gleichstrom betriebene Spulen
verwendet. Solche Spulen werden überhitzt, sobald sie klein genug sind, um in ein Rohr eingeschoben werden
zu können. Diese Überhitzung tritt insbesondere dann auf, wenn bei Materialien, die zu ihrer Sättigung eine
hohe Feldstärke erfordern, mit starkem Strom gearbeitet werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Wirbelstromprüfgerät derart weiterzubilden,
daß eine Prüfung von Rohren und Ähnlichem auf kleine Risse und Unregelmäßigkeiten auch von
innen her möglich ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruehes gelöst.
Demnach liegt ein wesentliches Merkmal der Erfindung darin, daß der magnetische Fluß zur
Magnetisierung eines Prüflings bis in den Sättigungsbereich durch Gleichspannungsimpulse, d. h. durch eine
nicht kontinuierlich erfolgende Beaufschlagung der Primärspule mit Gleichspannung, erzeugt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Wirbelstrom ist es möglich, einen Prüfkopf bzw. eine Sonde so klein
auszubilden, daß er bzw. sie in Rohre eingebracht werden kann, welche in situ geprüft werden können.
Beispielsweise wurden mit Prüfköpfen mit einem Durchmesser zwischen 1,5 und 5,7 cm Feldstärken von
1000 Oersted und mehr erreicht. Mit erfindungsgemä-Qen Wirbelstromprüfgeräten können somit Rohre
geprüft werden, ohne daß ein Entfernen von Kopfplatten der Rohre notwendig ist Bei Feststellen von Rissen
muß nur das mit Rissen behaftete Rohr ausgewechselt werden. Es sind regelmäßige Prüfungen von Rohren
während des Betriebs der Rohre möglich.
Um den Strom zu bestimmen, der zu einer ausreichenden Sättigung des Rohres oder Prüflings
führt, können Vorversuche mit einem Prüfling durchgeführt werden, der einen künstlich erzeugten Riß
aufweist Der Strom kann auch unter Prüfbedingungen erhöht werden, bis das Untergrundrauschen auf ein
Minimum vermindert ist. Vorteilhaft ist, eine kontinuierliche Anzeige dafür zu haben, daß der Prüfling in seinen
Sättigungsbereich gebracht isi.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer
Zeichnungen beispielsweise erläutert.
Es stellen dar:
F i g. 1 eine Sonde zur Innenprüfung eines Rohres,
F i g. 2 und 2a eine Ausführungsform einer Sonde, wie
sie in einem erfindungsgemäßen Gerät verwendet wird, wobei Fig.2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 der
F i g. 2a darstellt,
Fig. 3 typische normale Magnetisierungs- und Permeabilitätskurven eines magnetischen Materials,
Fig.4 zusammengesetzte Gleichspannungsimpulswellenformen,
F i g. 5 ein Blockschaltbild eines Wirbelstromprüfgerätes,
F i g. 6 einen in dem Gerät gemäß F i g. 5 verwendbaren Impulsgenerator,
F i g. 7 Wellenformen des Generators gemäß F i g. 6,
Fig. 8 einen im Gerät gemäß Fig. 5 verwendbaren
Impulstreiber,
Fig. 9 Wellenformen des Impulstreibers gemäß Fig. 8,
Fig. 10eineCRT-(Kathodenstrahl-Oszilloskop)-Darstellung
des Ausganges des abgestimmten Verstärkers gemäß F i g. 5,
Fig. 11 eine CRT-Darstellung des differenzierten
Ausganges einer einzigen Aufnahmespule,
Fig. 12 einen abgeänderten zusammengesetzten Gleichspannungsimpuls,
Fig. 13 und 14 andere Impulswellenformen zum Prüfen magnetischer Materialien,
Fig. 15 ein Blockschaltbild eines abgeänderten Rißdetektors mit einer Brückenschaltung,
Fig. 16 ein Gerät des Komparatortyps, das mit
zusammengesetzten Impulsen arbeitet,
Fig. 17 eine abgeänderte Ausführungsform eines Gerätes des Komparatortyps mit einer Brückenschaltungund
Fig. 18 ein Gerät des Komparatortyps mit einem elektrisch erzeugten Bezugssignal.
F i g. 1 zeigt ein mittels einer inneren Sonde 11 zu prüfendes Rohr 10, beispielsweise ein Boiler- oder
Wärmetauscherrohr, das in Trägerblechen 12 montiert ist. Normalerweise bestehen solche Rohre aus magnetischem
Material, beispielsweise Stahl mit niederem Kohlenstoffgehalt oder magnetischem Edelstahl, und
sind eine große Anzahl von Rohren in den Wänden angebracht Die Sonde 12 ist dafür vorgesehen, in situ in
ein Rohr eingebracht zu werden, so daß der Zustand des Rohres ohne dessen Ausbau geprüft werden kann.
F i g. 2 und 2a zeigen eine Prüfsonde. Eine Primärspule 13 ist um einen geschichteten Kern 14 gewickelt.
Vorzugsweise wird ein Kernmaterial gewählt, das seine Sättigung bei einer höheren Flußdichte als sie für die zu
prüfenden Rohre erforderlich ist, erreicht, beispielsweise Vanadium Permendur. Ein mit einer Endkappe
versehener Schraubbolzen 15, beispielsweise aus Roheisen. mit einer aufgeschrauben Endkappe 16, hält den
Kein zusammen. Eine eingezogene Aussparung ermöglicht eine einfache Befestigung eines Kabels 17 zum
Bewegen der Sonde 11 durch das zu prüfende Rohr 10. Die Primärspule 13 ist von einem Paar Null-Detektorspulen
18, 18' umgeben, die um einen Spulenkörper 19 gewickelt sind. Die Sonde 11 kann von Verkapselungsmaterial
21 gemäß F i g. 1 umschlossen sein, um eine Beschädigung beim Gebrauch zu vermeiden.
Ein Bereich des zu prüfenden Rohres 10 ist mit 10' bezeichnet und eine Flußbahn durch den Kern und die
Rohrwand ist mit 22 bezeichnet. Normalerweise sind zwischen der Sonde und dem Innendurchmesser des
Rohres schmale Luftspalte gebildet, weil es notwendig ist, die Ansammlung von Abschilferungen, Schmutz usw.
im Rohr zu ermöglichen. Insgesamt ist die Sonde so aufgebaut, daß in der Rohrwand so wirkungsvoll wie
möglich eine hohe Flußdichte erzeugt wird.
Bei einer speziellen Ausführungsform der Sonde besteht die Primärspule aus etwa 40 Windungen und
wird mit Spitzenströmen von 100 Ampere und mehr gearbeitet, wodurch zur Erzeugung des Magnetfeldes
über 4000 Ampere-Windungen zur Verfugung stehei.. Die Anzahl der erforderlichen Ampere-Winciungen
hängt sowohl davon ab, wie leicht oder schwer das Rohrmaterial zu sättigen ist als auch von den
Sondenabmessungen, der Rohrwanddicke usw. Es können Feldstärken von bis zu 18—21 Kilogauß
erforderlich sein Für gegenwärtige Anwendungen liegt ein Konstruktionskriterium für die Feldstärke der
Sonde bei 1000 Oersted, dies Kriterium kann aber merklich variieren.
Bei hohen Stromstärken kann es vorteilhaft sein, eine Einrichtung zur Kühlung der Sonde vorzusehen,
beispielsweise zur Luftkühlung.
Fig. 3 zeigt eine typische normale Magnetisierungskurve 25 von magnetischem Material. Bei sehr geringen
Magnetfeldstärken H ist die Flußdichte B klein und nimmt zu. Die Flußdichte erhöht sich dann mit
zunehmendem Magnetfeld deutlich bis der Knickpunkt 26 bzw. eine deutliche Krümmung der Kurve 25 erreicht
ist, woraufhin die Kurve im Säitigungsbereich abflacht. Die dargestellte Kurve ist in herkömmlicher Weise
halblogarithrnisch aufgetragen, so daß der große Magnetisierungsbereich sichtbai ist. Linear aufgetragen
ist der Knickpunkt wesentlich schärfer.
Die gestrichelte Kurve 27 gibt die Permeabilität (B/H) an. Die Permeabilität hängt von der Flußdichte ab und
ist \n allgemeinen bei geringen Flußdichten klein, bei mittleren Fiußdichten maximal und nimmt im Sättigungsbereich
des Materials dann wieder auf einen kleinen Wert ab.
Wenn einem durch Gleichstrom erzeugten Magnetfeld ein wechselndes Magnetfeld überlagert wird, kann
die für das wechselnde Magnetfeld wirksame Permeabilität als »differentielle Permeabilität« bezeichnet werden
und als ABIAH definiert werden. Bei der Wirbelstromprüfung ist es vorteilhaft, Permeabilitätsänderungen
zu vermeiden, so daß es wünschenswert ist, daß die differentielle Permeabilität sich der Einheit
nähert. Die differentielle Permeabilität hängt von der Größe der Wechselstromkraft bzw. des Wechselfeldes,
der Größe der Gleichstromkraft und den magnetischen Eigenschaften des Materials sowie von dessen Vorgeschichte
ab. Im allgemeinen gilt, daß je größer das Gleichstrommagnetfeld ist, um so kleiner ist die
differentielle Permeabilität. Auch gilt, wenn das Gleichstrommagnetfeld nahe dem Knickpunkt der
ß-f/-Kurve ist, daß die differentielle Permeabilität um
so kleiner ist, je kleiner die Wechselstrom-Amplitude ist.
Gegenwärtig wird vorgezogen, mit einem ausreichend großen Gleichstrommagnetfeld zu arbeiten, um
das Material in seinen Sättigungsbereich zu bringen, wo seine Permeabilität im Vergleich zu seiner maximalen
Permeabilität klein ist. Das Letztere ist durch den Scheitel der Kurve 27 in F i g. 3 dargestellt.
Die Form der in F i g. 3 dargestellten Kurven kann je nach dem magnetischen Material und der Stärke des für
die Sättigung erforderlichen Magnetfeldes merklich unterschiedlich sein. In einigen Fällen kann es schwierig
sein, eine zur Verminderung der differentiellen Permeabilität auf 1 ausreichend starke Flußdichte zu erzeugen,
ohne daß die Sonde in unzulässiger Weise erhitzt und zerstört wird. Durch Erzeugen einer Flußdichte, die zur
Verminderung der Permeabilität auf einen relativ kleinen Wert ausreicht, kann jedoch eine merkliche
Zunahme der Empfindlichkeit des Prüfgerätes gegenüber kleinen Rissen erhalten v/erden.
F i g. 4a zeigt eine Reihe zusammengesetzter Impulse zum Beaufschlagen der Treiber- oder Primärspule einer
Prüfkopfsondc, wie sie gegenwärtig bevorzugt wird. Jeder zusammengesetzte Impuls 30 enthält einen
breiten Gleichspannungsimpuls 31, dem eine Reihe kurzer Gleichspannungsprüfimpulse 32 überlagert ist,
deren Periode im Vergleich zur Dauer des zusammengesetzten Impulses kurz ist. Nach einer merklichen
Verzögerung tritt der zusammengesetzte Impuls wieder auf, wie durch die unterbrochene Linie 33 dargestellt.
Der breite Impuls 31 ist ein Gleichspannungs- oder unipolarer Impuls zwischen einem mit Null bezeichneten
Bezugspotential, im allgemeinen dem Erdpotential, und einem höheren Potential V. Insoweit er ein
Gleichspannungsimpuls ist, erzeugt er in der Spule einen Gleichstrom und entsprechend in dem Gegenstand
neben der Spule einen magnetischen Fluß einheitlicher Richtung. Weil die Spule einen induktiven Widerstand
hat, steigt der Strom während des Impulses wie durch die gestrichelte Linie 34 angedeutet an. Am Ende jedes
Impulses fällt der Strom wie durch die gestrichelte Linie 35 angedeutet ab. Der induktive Widerstand der Spule
wird teilweise durch das geprüfte magnetische Material bestimmt und entsprechend hängt die Form der
Stromkurven zum Teil von dem geprüften Material ab. Vorteilhafterweise werden der Scheitelwert und die
Länge des Irppulses so gewählt, daß das Material vor dem Impulsende seinen Sättigungsbereich erreicht.
Wenn sich die Permeabilität ändert wird sich die Form der Stromwellenform ebenfalls ändern und, wenn die
Permeabilität I erreicht, kann ein Knick auftreten, nachdem eine andere Steigung vorhanden ist. Die
Kurven 34 und 35 stellen somit nur einen allgemeinen Trend dar.
Die Reihe der Prüfimpulse 32 ermöglicht das Feststellen von Rissen in einem Gegenstand unter
Sättigungsbedingungen. Ihre Frequenz (PRF) kann nach bei der Wirbelstromprüfung bekannten Gesichtspunkten
gewählt werden. Beispielsweise können 2,5—80 kHz verwendet werden. Soweit sich die Impulse über den
Pegel des breiten Impulses erstrecken, vermindern sie nicht die vom breiten Impuls hervorgerufene Gleichstrommagnelisierung.
Weil die Prüfimpulse ebenfalls eine durch ihr Tastverhältnis gegebene Gleichspannungskomponente
haben, tragen sie etwas zur Gleichstrommagnetisierung bei. Beispielsweise können Tastverhältnisse
von 25, 50 oder 75% verwendet werden, was entsprechende Prozentanteile der Gleichspannungskomponenten
ergibt. Es kann auch mit anderen Tastverhältnissen gearbeitet werden.
Nach einer Zeitdauer wiederholt sich der zusammengesetzte Impuls, wie durch 30' angegeben, so daß die
zusammengesetzten Impulse der Primärspule intermittierend zugeführt werden. Das Gesamttastverhältnis
kann ausreichend klein gewählt werden, damit eine unzulässige Aufheizung und eine mögliche Zerstörung
der Sonde vermieden werden. Es wurde erfolgreich mit einem Tastverhältnis von 12 bis '/2% gearbeitet, was
einen mittleren Aufheizstrom von etwa 12 bis '/2% des Scheitel- bzw. Spitzenstromes ergibt.
In Fig.4a sind nur vier Prüfimpulse dargestellt,
praktisch kann mit einer wesentlich größeren Zahl gearbeitet werden. Beispielsweise betrug bei einem Test
die Dauer des zusammengesetzten Impulses 12,6 ms und waren die Prüfimpulse eine Gruppe von 1OkHz
Impulsen, die während der zweiten Hälfte des zusammengesetzten Impulses vorhanden waren. Auf
diese Weise waren anstelle der vier dargestellten Prüfimpulse etwa 60 Prüfimpulse vorhanden. Dies läßt
sich jedoch schlecht darstellen.
Fig.4b zeigt einen ähnlichen zusammengesetzten Impuls, bei dem die Spitzenwerte der Prüfimpulse 36
gleich dem anfänglichen Wert 37 des breiten Impulses sind. Die minimalen Werte 38 der Prüfimpulse sind
größer als der minimale Wert 39 des zusammengesetzten Impulses. Hier ist die Gleichspa;inungskomponente
des zusammengesetzten Impulses während dessen letzterem Teil etwas verringert, wobei das Ausmaß der
Verringerung vom Tastverhältnis der Prüfimpulse, der Dauer der Prüfimpulsgruppe und dem minimalen Wert
38 der Prüfimpulse abhängt. In vielen Fällen kann diese Verminderung jedoch unbedeutend sein.
Fig.4c zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem die Prüfimpulse 41 am Ende des breiten Impulses 42
auftreten. Die Kombination kann als ein zusammengesetzter Impuls 43 betrachtet werden, der intermittierend
wiederkehrt, wie mit 43' angegeben. Obwohl die Gleichspannungskomponente der Prüfimpulse kleiner
ist als die des breiten Impulses, werden in vielen Anwendungen zufriedenstellende Ergebnisse erzielt.
Der induktive Widerstand der Spule, der die Impulse zugeführt werden, wirkt dem Abfall des Stromes nach
dem Ende der Impulskomponente 42 entgegen und jeder Impuls 41 stellt den Strom teilweise wieder her.
Dies kann zum Ermöglichen einer Prüfung ausreichen, bei der das magnetische Material noch in seinem
Sättigungsbereich ist oder zumindest genügend magnetisiert ist, damit seine Permeabilität auf einen genügend
> kleinen Wert vermindert ist.
Beim Beschreiben der Wellenformen wurden bisher die minimalen und maximalen Werte usw. erläutert. Die
tatsächlich der Spule zugeführten Wellenformen kön-
nen die dargestellte Polarität oder die umgekehrte Polarität haben, wobei die minimalen, maximalen und
ähnliche Werte auf das Bezugspotential Null (normalerweise Erde) bezogen sind.
Fig. 5 ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen
Wirbelstromprüfgerätes. Mit 51 ist ein Oszillator und Rechteckwellengenerator bezeichnet. Vorteilhafterweise
ist der Oszillator ein mit Hilfe eines Schwingkreises 52 abstimmbarer Sinuswellengenerator,
wobei die Sinuswelle zu einer Rechteckwelle umgewandelt wird, die an der Leitung 53 liegt. Die Rechteckwelle
wird dann im Teiler 54 geteilt, so daß die erwünschte PRF der Prüfimpulse entsteht. Ein ausgewählter
Ausgang 54 wird einem weiteren Teiler 55 zugeführt, der anfängliche breite Impulse der erwünschten Dauer
erzeugt. Der Ausgang des Teilers 55 ist mit einem Anfangsimpulsgenerator 56 verbunden, der breite
Gleichspannungsimpulse mit erwünschter Dauer und erwünschtem Tastenverhältnis erzeugt. Die Ausgänge
von 54 und 56 sind mit einem Prüfimpulsgenerator 57 verbunden, der Gruppen von Prüfimpulsen zu den
erwünschten Teilen des anfänglichen breiten Impulses erzeugt. Die Ausgänge von 56 und 57 werden einem
Impulsireiber 58 zugeführt, der die in F i g. 4a dargestellten zusammengesetzten Impulse erzeugt. Die zusammengesetzten
Impulse werden einem Spulentreiber 59 und von dort der primären Treiberspule bzw. Primärspule
13 der Sonde zugeführt.
Die Gleichspannungskomponente des zusammengesetzten Gleichspannungsimpulses erzeugt in der Wand
des zu prüfenden Rohres einen magnetischen Fluß, der vorzugsweise ausreicht, um die Wand in ihren
Sättigungsbereich zu bringen. Die Wechselspannungskomponente erzeugt in der Wand Wirbelströme.
Veränderungen der Wirbelströme aufgrund von Rissen oder anderen Fehlern der Wand werden von NuIl-Detektorspulen
18 und 18' aufgenommen. Im dargestellten Beispiel sind die Primär- und die Null-Detektorspulen
der Einfachheit halber außerhalb des Rohres 10 dargestellt, tatsächlich befinden sie sich jedoch innerhalb
des Rohres, wie in F i g. 2 dargestellt.
Die Ausgänge der Null-Detektorspulen 18 und 18' werden über einen Transformator 61 einem Eingangsverstärker
62 zugeführt. Der Eingangsverstärker 62 ist, wie durch den Abstimmkreis 63 dargestellt, abgestimmt.
Normalerweise ist der Verstärker auf die PRF der Prüfimpulse abgestimmt. Bei einigen Anwendungen ist
es jedoch vorteilhaft, ihn auf eine harmonische der PRF oder eine zur Impulsbreite in Beziehung stehenden
Frequenz abzustimmen, wie in der US-PS 37 86 347 beschrieben.
Der Ausgang des Verstärkers 62 ist mit einem Paar von Quadratur-Detektoren 64 und 64' verbunden. In
einem Gatter- bzw. Tastimpulsgenerator 65 werden mit Hilfe des Prüfimpulsgenerators 57 Gatter- bzw.
Tastimpulse für die Quadratur-Detektoren 64 und 64' erzeugt, die der Prüfimpulsreihe entsprechen. Diese
Tastimpulse sind mit Hilfe eines Signals aus dem Anfangs- bzw. Auslöseimpulsgenerator 56 auf gewünschte
Intervalle beschränkt.
Wie aus F i g. 4a ersichtlich, sind die Prüfimpulsgruppen intermittierend. In der Folge tritt zu Beginn einer
gegebenen Gruppe ein Übergangszustand auf. In dem abgestimmten Schwingkreis 63 des Verstärkers treten
ebenfalls Obergangsbedingungen auf. Um Übergangsantworten auszuschalten und Anzeigesignale nur dann
zu erzeugen, wenn ein stationärer Zustand erreicht ist, werden die Ausgänge der Quadratur-Detektoren 64 und
64' einem Paar zweiter Detektoren 66 und 66' zugeführt. Diese zweiten Detektoren 66 und 66' werden von
Signalen aus einem zweiten Tastimpulsgenerator 67 zu Zeitpunkten aufgetastet, die gegenüber dem Beginn
-, aufeinanderfolgender Prüfimpulsgruppen verzögert sind.
In der im weiteren beschriebenen bevorzugten Ausführungsform geschieht die Auftastung am Ende des
zusammengesetzten Signals gemäß F i g. 4a, so daß für
in die Quadratursignale zum Erreichen stationärer Werte
eine maximale Zeit zur Verfügung steht. Dies ermöglicht auch, die PRF der Prüfimpulse und die Dauer des
zusammengesetzten Impulses zu verändern, ohne daß eine Einstellung der Auftastung der zweiten Detektoren
!■, notwendig ist. Die zweiten Detektoren 66 und 66'
können Auslese- und Haltedetektoren sein, so daß ihre Ausgänge konstant bleiben, bis sie sich durch eine
nachfolgende Prüfimpulsgruppe ändern. Wenn die Quadratur-Detektoren ihre Ausgangssignale bei Been-
2» digung der jeweiligen Prüfimpulsgruppe halten, können
die zweiten Detektoren gegebenenfalls nach dem Ende eines zusammengesetzten Impulses aufgetastet bzw.
gegattert werden.
Die entstehenden Quadratursignale aus den Detektoren '56 und 66' werden Verstärkern und Filtern 68 und
68' und dann einer Anzeigevorrichtung 69 zugeführt. Dies kann in herkömmlicher Weise erfolgen. Die
Anzeigevorrichtung 69 kann eine Kathodenstrahlröhre sein, die sowohl Amplitude als auch Phase der
Rißsignale anzeigt.
Des weiteren können erforderlichenfalls Alarmschaltungen usw. vorgesehen sein.
F ii g. 6 zeigt den in dem gestrichelten Kästchen 60 der
F i g. 5 enthaltenen Teil. Die Buchstaben in F i g. 6 bezeichnen in F i g. 7 dargestellte Wellen.
In F i g. 6 ist die Frequenz des Oszillators 51 höher als die PRF der Prüf impulse und ist so gewählt, daß eine
herkömmliche Teilung zum Erzeugen sowohl der Prüfimpulsfrequenz als auch der Dauer der breiten
Anfangsimpulse möglich ist. Die Frequenz ist hier mit 320 kHz gewählt. Der Ausgang des Oszillators wird
einem binären Zähler-Teiler 54 zugeführt, der mehrere Ausgänge 71 für den erwünschten Bereich an Prüfimpulsfrequenzen
aufweist. Einer der Ausgänge des Zähler-Teilers 54 wird unter Steuerung von Eingängen
a, b, c von einem Multiplexer 72 ausgewählt. Hier ist ein 8 : !-Multiplexer dargestellt, der ermöglicht, daß jedwelcher
von acht Eingängen auf die Ausgangsleitung 73 gelegt wird. Prüfimpulsfrequenzen von 5 bis 8OkHz
werden gegenwärtig bevorzugt erforderlichenfalls können aber auch niedrigere und höhere Frequenzen
verwendet werden.
Zur Vereinfachung der Darstellung der Wellenformen wurde eine Frequenz von 1250 Hertz gewählt Die
entsprechende Frequenz in Leitung 73 beträgt 2500 Hertz und ist bei C dargestellt Diese Frequenz bzw.
Wellenform wird zur Bildung der Welle D invertiert Diese Wellen werden zugehörigen Flip-Flops FFl und
FF2 zugeführt deren Funktion darin liegt sie durch 2 zu teilen und eine 90°-Phasenverschiebung zwischen ihren
Ausgängen zu erzeugen.
Die Flip-Flops können handelsüblicher Bauart sein. Wie hier dargestellt überträgt die positive Abweichung
der Welle bezüglich des Taktimpulses CL den Zustand am D-Eingang auf den (^-Ausgang. Q ist die Invertierte
von Q und R ist eine Rücksetzklemme. Anfänglich sind diese Flip-Flops sowie die weiteren Flip-Flops_in der
Zeichnung rückgesetzt so daß Q niedrig (0) und Q hoch
(1) ist. Die Zähler sind ebenfalls rückgestellt. Dies wird durch eine Schaltung 80 erreicht, in der bei Schließen
des Schalters der Kondensator aufgeladen wird und, sobald eine vorgegebene Spannung erreicht ist, der
Ausgang R des Inverters auf einen niederen Pegel zum Rückstellen bzw. Rücksetzen geht.
FF2 teilt den Eingang C durch 2, um die Welle Fzu erzeugen. Die Verbindung zwischen FF2 und FFl
liefert zusammen mit dem Eingang Deinen Ausgang E, der die gleiche Frequenz wie Fhat, gegenüber Faber
um 90° phasenverzögert ist. Ein Ausgang G des Teilers 54 wird einem weiteren Teiler 55 zugeführt, von dem
einige Ausgänge einem Multiplexer 74 zugeführt sind, so daß eine Wahl der Dauer des Anfangsimpulses möglich
ist. Hier ist ein Ausgang W mit 78 Hertz gewählt.
Damit Platz für nachfolgende Wellenformen ist, wird die Welle H um ihren halben Zyklus nach links in die
Lage //'bewegt, wie strichpunktiert dargestellt.
Der Ausgang H' wird direkt einem NOR-Glied 75 zugeführt. Er wird weiter einem Dekaden-Zähler-Teiler
76 zugeführt, der bei jedem zehnten Impuls H einen Impuls /erzeugt. Beim Zählen hält der Teiler 76 seinen
Ausgang den vollen Zyklus von H, so daß die Breite des Impulses in /gleich einem vollen Zyklus von Wist. Der
Impuls / wird invertiert und bildet K, das dem NOR-Glied 75 zugeführt wird. Das NOR-Glied
funktioniert in herkömmlicher Weise und ergibt einen niederen (0) Ausgang, wenn immer ein Eingang hoch (1)
ist und einen hohen (1) Ausgang, wenn beide Eingänge niedrig (0) sind. Die Eingänge H' und K des
NOR-Gliedes 75 ergeben einen Ausgang L, der hoch ist, wenn Wund K niedrig sind.
Das Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen in / und K ist aufgrund der Teilung durch 10 im
Dekadenzähler 76 das Neunfache der Impulslänge. Dies ist in F i g. 7 schlecht darzustellen. Das Intervall aber ist
in F i g. 4a mit 33 bezeichnet.
Die Welle L wird dem FF3 und FF4 zugeführt, um Ausgänge M und N zu erzeugen, die bei den positiven
Anstiegen der ihren Takteingängen zugeführten Wellen Fund Eauf hohe Pegel gehen. Die Ausgänge Mund N
bleiben bis zu den positiven Anstiegen von Fund Ehoch, die dem Zeitpunkt folgen, zu dem L auf niederen Wert
geht Die Ausgänge dienen dazu, in ihrem zeitlichen Verlauf richtige Gruppen von Quadratur-Gatter und
Prüfimpulsen zu erzeugen.
Die invertierten Ausgänge M und N werden einem dreipoligen Dreistellungsfunktionsschalter 77 zugeführt.
In den dargestellten Stellungen wird Λ/dem NOR-Glied
78 zusammen mit der Welle E zugeführt, wodurch ein Ausgang Verzeugt wird, der zu Einvertiert ist, aber nur
innerhalb der unteren Abweichung von ^erscheint, die der oberen Abweichung von N entspricht, wie
dargestellt. Ähnlich wird die Welle M dem NOR-Glied
79 zusammen mit der Welle F zugeführt, wodurch ein
Ausgang U entsteht, der zu F investiert ist, aber nur
innerhalb der kurzen Dauer von M auftritt, die der positiven Dauer von M, wie dargestellt, entspricht Die
Wellen U und V sind gegeneinander um 90° bei ihrer Frequenz phasenverschoben, so daß Quadratur-Gatter-Signale
für die Quadratur-Detektoren 64 und 64' gemäß Fig.5 geschaffen sind. Die Signale ergeben nach
Differentiation an ihren Flanken kurze Gatter- bzw. Tastimpulse. Jeweilige Paare der Impulse mit einer
90°-Phasenverschiebung werden dann in bekannter Weise zum Gattern der Detektoren verwendet In einer
speziellen Ausführungsform wurden differenzierte Impulse verwendet, die an den nach positiv gehender.
Flanken von L/und ^auftreten.
Die Welle M wird einem NOR-Glied 81 zugeführt und erzeugt zusammen mit dem NOR-Glied 82
Gruppen von Prüfimpulsen, die in richtiger zeitlicher
■-, Beziehung mit dem breiten Anfangsimpuls stehen, wie
in F i g. 4a dargestellt. Durch gleichlaufende Schalter 83 und 84 können drei verschiedene Tastverhältnisse der
Prüfimpulse gewählt werden. In den dargestellten Lagen werden Tastverhältnisse von 50% erzeugt. Ein
ίο Eingang des NOR-Gliedes 82 ist geerdet Auf diese
Weise ist der Ausgang Fund wird dem NOR-Glied 81 zusammen mit M zugeführt. Entsprechend ist der
Ausgang bei 85 derjenige Teil von F, der während des niederen Teils von M vorhanden ist, der dem hohen
π Bereich von M, wie dargestellt, entspricht Die
entstehenden Gruppen sind bei TA dargestellt. Wie im weiteren erklärt werden wird, verwendet der Impulsiv
eiber die niederen (0) Bereiche der Prüfimpulswellenform zur Erzeugung entsprechender Treiberimpulse.
Entsprechend wird die Welle bei 85 invertiert, um die Ausgangsprüfimpulsgruppe bei 86 zu erzeugen.
Für Impulse mit einem Tastverhältnis von 75% werden beide Wellen E und F dem NOR-Glied 82
zugeführt. Der Ausgang des NOR-Gliedes 82 ist dann niedrig, wenn Eund Fniedrig sind. Dies wird durch das
NOR-Glied 81 invertiert und auf den niederen Bereich von M begrenzt Die in der Leitung 85 entstehende
Prüfimpulsgruppe ist bei Γ-2 dargestellt.
Für Impulse mit einem Tastverhältnis von 25%
jo werden die Wellen Eund Febenfalls dem NOR-Glied 82 zugeführt, der Ausgang wird durch den Inverter 87
jedoch invertiert, bevor er dem NOR-Glied 81 zugeführt wird. Entsprechend ist der Ausgang in der
Leitung 85 hier zum Ausgang für Impulse mit einem
r> Tastverhältnis von 75% invertiert, wie bei T-3 dargestellt.
Der breite Anfangsimpuls wird vom NOR-Glied 88 erzeugt, dessen Eingänge /, /Vund M sind. Der Ausgang
P ist niedrig, wenn irgendeiner der Eingänge hoch ist.
Entsprechend geht der Anfangsimpuls P nach unten, wenn / nach oben geht und bleibt niedrig bis N nach
unten geht.
Das Ende der positiven Auslenkung von N tritt etwas nach dem Ende von M auf. Weil M zur Erzeugung der
Prüfimpulsgruppe verwendet wird, liegt das Ende des Anfangsimpulses P etwas nach dem letzten Prüfimpuls.
Des weiteren liegen die Gatter- bzw. Prüfimpulse U und V zeitlich so, daß durch Auswahl entsprechender
Polaritäten der aus ihnen erzeugten differenzierten Impulse das letzte Gattern der Quadratur-Detektoren
vor dem Ende des Anfangsimpulses erfolgt. Irgendwelche zusätzlichen am Ende von P erzeugten Impulse
beeinflussen daher die einwandfreie Funktion der Schaltung nicht.
Der Funktionsschalter 77 erdet in seiner mittleren Stellung B einen Eingang der NOR-Glieder 78, 79 und
81. Als Folge wird eine kontinuierliche Reihe von Prüfimpulsen am Ausgang 86 erzeugt und sind die
Tast-Impulsausgänge U und V kontinuierlich. Dies
ermöglicht, das Gerät zum Prüfen nicht magnetischer Materialien zu verwenden, wo zusammengesetzte
Impulse nicht notwendig sind.
In der Kalibrierstellung des Funktionsschalters 77 ist ein Eingang des NOR-Gliedes 78 und 79 geerdet, so daß
kontinuierliche Reihen von Tast-Impulsen erzeugt werden. Ein Eingang des NOR-Gliedes 81 wird von
einem Zählerteiler 89 versorgt so daß zum Kalibrieren verschiedene Längen der Prüfimpulsgruppen erhalten
werden können.
F i g. 8 zeigt eine Schaltung für den Impulstreiber 58 und den zweiten Tast-Impulsgenerator 67 innerhalb des
Kästchens 91 der F i g. 5. F i g. 9 zeigt zur Erklärung Wellenformen, die an den entsprechend numerierten <-,
Stellen in F i g. 8 im normalen Betrieb auftreten.
Die Anfangsimpulswellenform P gemäß F i g. 7 wird der Eingangsleitung 92 zugeführt und dann durch eine
Diode D1 und einen Widerstand zur Basis des Transistors Qi. Qt ist als Emitterfolger geschaltet und ι ο
seine Ausgangsspannung wird von Widerständen R 1, R 2 geteilt und der Basis des Transistors Q 2 zugeführt.
Die Versorgungsspannung V2 wird durch eine Zener-Diode 93 auf einer erwünschten Spannung unter V
gehalten.
Zur Zeit fc ist der Anfangsimpuls hoch, Qi ist an
(durchlässig) und Q2 ist an. Wenn der Anfangsimpuls zum Zeitpunkt t\ auf niederen Wert geht, wird der
Transistor Ql ebenso wie Q 2 abgeschaltet. Die Spannung V3 wird normalerweise von der Versorgungsspannungsleitung
mit der Spannung V über Q 9 zugeführt, dessen Funktion später erläutert wird. Der
Widerstand Λ3 in der Kollektorschaltung von Q2
erzeugt eine vorgewählte Amplitude des Anfangsimpulses, wie bei 4 dargestellt. Dieser wird über die Diode D 2 r,
den Basen der Transistoren QA und Q5 zugeführt.
Durch die Widerstände R 3 und RS erfolgt eine Spannungsteilung, die hier zur Darstellung als Vs V3
gewählt ist.
Die Prüfimpulsgruppe aus der Leitung 86 der F i g. 6 x>
wird der Basis von Q6 zugeführt, der als Emitterfolger
funktioniert. Ein Teil des Emitterausgangs, bestimmt durch die Spannungsteiler R 6, R 7 wird der Basis von
Q 3 zugeführt. Q6 ist anfänglich an und Q 3 ist ebenfalls
an. Zum Zeitpunkt h schalten Q6 und Q3 aus und gehen r>
danach entsprechend den Prüfimpulsen an und aus.
Der Kollektorausgang von Q 3 erzeugt auf diese Weise eine Prüfimpulsgruppe, wie bei 3 dargestellt.
Diese Prüf impulsgruppe wird über die Diode D 3 Transistoren QA und QS zugeführt, wobei die
Amplitude von RA und R 5 spannungsgeteilt wird. RA
ist kleiner als R 3 und die Spannungsteilung für die Prüfimpulse ist hier der Darstellung halber mit 3A V3
angenommen. Während Q 2 zwischen fi und i2 aus ist,
spannt die höhere Spannung bei 94 D3 vor. Wenn aber 4'>
Q 3 zwischen f2 und i3 ausgeht (undurchlässig wird),
gelangt die höhere Spannung der Welle 3 durch D 3 zur Stelle 94 und spannt D 2 vor. Danach ändern sich die
Bedingungen alternierend für aufeinanderfolgende Testimpulse.
Die Wellenform an den Basen von QA und Q 5 ist in
Fig.9 mit 5 dargestellt. Diese Wellenform ist die gleiche wie die des zusammengesetzten Impulses gemäß
F i g. 4a, wobei die Amplitude der überlagerten Prüfimpulse 32 25% der Amplitude des breiten Impulses 31
beträgt Die Emitterausgänge von QA und Q 5 werden
über eine Leitung 95 dem Spulentreiber 59 der F i g. 5 zugeführt
Im Betrieb ist es wünschenswert den Strom in der Primärspule 13 der F i g. 5 regeln zu können. Dazu ist »0
der Widerstand RS in Reihe mit einem Transistor im
Spulentreiber 59 geschaltet dem die zusammengesetzten Impulse der Leitung 95 zugeführt werden, wodurch
eine zum Strom in der Stufe proportionale Spannung erzeugt wird.
Ein erwünschter Bruchteil dieser Spannung wird vom Potentiometer 96 abgegriffen und der Basis von Ql
zugeführt Ersichtlicherweise liegt diese Spannung unter der Spannung in der Spannungsversorgungsleitung 97.
Die Diode DA schützt gegen eine mögliche Polaritätsumkehr. Die Ausgangsspannung von Q7 wird mittels
R 9, RiO geteilt und der Basis von Q8 zugeführt. Der
Kollektorausgang von QS wird der Basis von Q9
zugeführt. Im normalen Betiieb sind Q7, QS und Q9
alle leitend und wird die Leitfähigkeit von Q9 durch die Spannung gesteuert, die vom Potentiometer 96
abgegriffen wird. Dies hält die Spannung V3 auf einem erwünschten Wert. Ein großer Kondensator 98 liegt zur
Basis von Q 9 parallel, so daß die Leitfähigkeit von Impuls zu Impuls konstant ist, aber sich mit dem
mittleren, der Treiberstufe zugeführten Strom verändert.
Zur Sicherheit wird der maximale Strom durch die Spulcntrcibcrstufc von einer Schaltung 99 begrenzt, urn
eine Beschädigung zu vermeiden. Die Schaltung ist hier als handelsüblicher optischer isolator 101 ausgeführt.
Grob gesagt steuert eine lichtemittierende Diode einen photoempfindlichen Transistor. Die Diode spricht auf
den Spannungsabfall über den Widerstand R S an. Wenn diese Spannung zu hoch ist, wird der Transistor leitfähig,
um den Eingang von Q 9 zu vermindern, wodurch V3 und entsprechend die Amplitude des zusammengesetzten
Impulses in der Leitung 95 reduziert wird.
Die Gatter-Impulse für die zweiten Detektoren 66 und 66' der F i g. 5 werden ebenfalls in der Schaltung
gemäß Fig.8 erzeugt Dazu wird der Emitterausgang von Q1 über All dem Kondensator C2 zugeführt und
der letztere ist über R 12 mit Erde verbunden. Wenn der Anfangsimpuls 1 an seinem Ende hoch geht, wird Q 1
leitfähig und erzeugt in der Leitung 102 einen positiven Impuls, wie durch die Welle 6 dargestellt. Danach
entlädt sich C2 über /?*1 und Ri2, wobei die
Zeitkonstante so gewählt ist, daß ein genügend langer Trigger-Impuls zum Betätigen der zweiten Detektoren
zur Verfügung steht. Wenn der nächste Anfangsimpuls ankommt, wird, wie in 6 gestrichelt dargestellt, ein
negativer differenzierter Impuls erzeugt, der aber zur Betätigung der zweiten Detektoren nicht wirksam ist.
Vorteilhaft ist, die Sondenspule 13 der Fig.2 nur
dann mit Leistung zu beaufschlagen, wenn tatsächlich Messungen durchgeführt werden, damit ein unnötiges
Aufheizen vermieden wird. Entsprechend ist ein Schalter 103 vorgesehen, der an die Stelle 104 eine
positive Spannung legt, wodurch die Transistoren Q2 und Q 3 über Dioden D 5 und D 6 angeschaltet werden.
Dies verhindert, daß die Transistoren die entsprechenden Komponenten des zusammengesetzten Ausgangsimpulses
erzeugen. Der Schalter 103 kann erforderlichenfalls fußbetätigt sein.
Bei der Kalibrierung und in der Stellung B des Funktionsschalters 77 der F i g. 6 werden aus der
Leitung 86 dem Transistor Q 6 kontinuierliche Priifimpulse zugeführt, so daß eine kontinuierliche Reihe von
Prüfimpulsen von Q 3 erzeugt wird und der Ausgangsleitung 95 zugeführt wird. Qi und Q 2 werden durch
Betätigen des Schalters 105 abgeschaltet so daß an der Leitung 106 eine positive Spannung liegt Diese wirkt
über die Diode Dl und schaltet Q1 und daher Q2 an.
Die positive Spannung in der Leitung 102 wird über DS
und R13 auch der Leitung 102 zugeführt wodurch diese
Leitung 102 hoch bleibt und die zweiten Detektoren kontinuierlich offen hält damit diese Quadratur-Signale
durchlassen. Zusätzlich wird die positive Spannung der Leitung 106 der Basis von Q 10 zugeführt, wodurch Q 10
angeschaltet wird und den Eingang von QS kurzschließt Die Regulierschaltung ist daher unwirksam und
ζ) 9 hat seine maximale Leitfähigkeit, die durch RH
gegeben ist
Fig. 10 zeigt eirie CRT-Oszilloskop-Darstellung des
Ausgangs des Verstärkers 62 (F i g. 5) unter normalen Betriebsbedingungen. Das Oszilloskop ist mit den
zusammengesetzten Impulsen synchronisiert. Nach einem anfänglichen Übergangszustand bei 111 bleibt
der Ausgang während der ersten Hälfte des zusammengesetzten Impulses (Fig.4a) annähernd auf Null, wie
mit 112 bezeichnet Zu Beginn der Gruppe von Prüfimpulsen steigt der Ausgang auf 113 an und fällt
danach bei 114 auf einen stabilen Wert Diesem folgt eine weitere Übergangsperiode 115 am Ende des
Impulses. Wie oben erläutert, lassen die zweiten Detektoren die Ausgänge der Quadratur-Detektoren
am Ende der stabilen Periode 114 zu den nachfolgenden
Schaltungen durch.
Die zweiten Detektoren könnten etwas früher im stabilen Bereich 114 aufgetastet werden. Eine unterschiedliche
Wahl der Dauer der Prüfimpulse PRF und des Anfangsimpulses können den stabilen Bereich
jedoch verkürzen, so daß ein Triggern an dessen Ende vorgezogen wird. Wenn die Quadratur-Detektoren ihre
letzten Ausgangswerte halten, wie es bei Auslese- und Halte-Detektoren der Fall ist, ist ein späteres Triggern
bzw. Auftasten der zweiten Detektoren möglich.
Die Bereiche 113 und 114 stellen den Ausgang der
Null-Detektorspulen 18 und 18' nach Verstärken und Filtern durch die abgestimmte Schaltung des Eingangsverstärkers
62 dar. In F i g. 10 ist die Oszilloskopverstärkung sehr hoch, so daß sehr kleine Ungleichgewichte
der Null-Detektorspulen aufgezeigt werden. Wenn Risse auftreten, ändern sich die Amplituden der
Bereiche 113 und 114 von Gruppe zu Gruppe und die Änderungen werden von den nachfolgenden Quadratur-Detektoren
festgestellt.
Zum Betrieb ist es wichtig zu wissen, daß das geprüfte Material gesättigt ist. Für einige Anwendungen kann es
möglich sein, vorher den zur Sättigung erforderlichen Strom zu bestimmen. Wenn beispielsweise eine Probe
des zu prüfenden Rohres erhältlich ist, kann darin ein Riß bekannter Abmessung ausgebildet werden, wie
beispielsweise eine Bezugskerbe. Diese sollte derart ausgebildet werden, daß dabei jedwelche Änderungen
der Permeabilität des Materials aufgrund der Kerbbildung vermieden werden. Wenn das Rohr dann geprüft
wird, entsteht in den Anzeigeschaltungen aufgrund statistischer Permeabilitätsändtrungen ein gewisser
Rauschpegel. Die Amplitude der zusammengesetzten Impulse kann dann erhöht werden bis ein Kerbsignal
ausreichender Amplitude erhalten wird, das beispielsweise das Doppelte des Rauschpegels beträgt. Nachdem
durch diesen Test der erforderliche Strompegel festgestellt ist, können bei der tatsächlichen Prüfung
verschiedene Pegel verwendet werden. Ein solcher Test ist zwar für einige Anwendungen nützlich, für die Praxis
muß er jedoch nicht notwendigerweise ausreichend sein, weil die genaue Zusammensetzung der zu prüfenden
Rohre nicht bekannt ist oder eine identische Probe nicht erhältlich ist.
Die Erfindung schafft daher eine Einrichtung zur Anzeige, ob das geprüfte Material im Sättigungsbereich
ist.
In F i g. 5 ist der Ausgang einer Null-Detektorspule 18
mit einer C-/?-Differenzierschaltung 121 und dann über einen Verstärker 122 mit einem Oszilloskop 123
verbunden. Wenn das Material in den Sättigungsbereich kommt, treten in dem von der DetektorsDule 18
aufgenommenen Signal Verformungsprodukte bzw. Verzerrungen auf, die durch die Differenzierschaltung
hervorgehoben werden.
F i g. 11 zeigt bei 124 die Art der Wellenform an, die
im Oszilloskop 123 beobachtet werden kann. Durch die bei dem Erreichen des Sättigungsbereiches des Materials
auftretenden Verformungsprodukte wird ein Signal 125 erzeugt Die Linie 126 entspricht dem Beginn des
zusammengesetzten Impulses gemäß Fig.4a und die Linie 127 entspricht dem Ende des anfänglichen flachen
Bereiches und dem Beginn der Prüfimpulse. Bei einem gegebenen Impulsstrom treten die Zeichen bzw. Signale
125 bei leichten magnetisierbaren Materialien früher in der Wellenform auf, d. h. in Richtung auf die linke Linie
126 verschoben. Bei schwer zu sättigenden Materialien bewegt sich die Anzeige bzw. das Signal 125 nach rechts.
Ganz ähnlich bewegen sich bei Rohren aus gleichem Material aber mit verschiedenen Wanddicken bei einer
Abnahme der Wanddicke die Signale 125 nach links und
:o bei einer Zunahme der Wanddicke nach rechts. Entsprechend können die Zeichen bzw. Signale 125 für
die Wahl eines Betriebsstrompegels verwendet werden, der ausreichende Sicherheit dafür bietet daß das
Material tatsachlich bis in die Sättigung getrieben wird.
Der Bereich rechts von der Linie 127 zeigt die anfänglichen Übergangsbedingungen während einer
Gruppe von Prüfimpulsen an, denen ein relativ stabiler Pegel folgt. Dies gilt selbstverständlich für eine
Aufnahme- bzw. Detektorspule, so daß der Null-Effekt der anderen Spule nicht vorhanden ist.
Es ist schwierig, die Details der Signale 124, 125 mit dem Zustand des geprüften magnetischen Materials in
Beziehung zu setzen, weil dazu Änderungen der normalen und differentiellen Permeabilität, des induktiven
Widerstandes der Spulen, der durch Änderungen der Permeabilität beeinflußt wird, und Größen der
Gleichspannungs- und Wechselspannungskomponenten der Impulse zusammen mit möglicherweise weiteren
Faktoren beitragen. Auch ist der genaue Einfluß der Differentiation unter Berücksichtigung der vorhergehenden
Faktoren nur schwer anzugeben. Bei verschiedenen Strompegeln und verschiedenen Sonden und
geprüften Materialien wurden merkliche Änderungen der Amplitude und der Form der Welle festgestellt.
Gegenwärtig ist daher keine adäquate Erklärung für die
erhaltenen Ergebnisse bekannt. Jedoch besteht gegenwärtig Grund zur Annahme, daß die Anzeige in der
Praxis nützlich ist.
Die vorangegangene Erläuterung der speziellen
Die vorangegangene Erläuterung der speziellen
so Ausführungsform bezieht sich vor allem auf die zusammengesetzten Impulse gemäß Fig.4a. Wenn ein
Betrieb entsprechend F i g. 4b erwünscht ist, können die Impulstreiberschaltungen der Fig. 8 entsprechend
abgeändert werden oder es können zu diesem Zweck andere Schaltungen entwickelt werden. Beispielsweise
kann Q 3 anders geschaltet werden, so daß ein Teil von R 3 normalerweise kurzgeschlossen ist, wobei der
Kurzschluß während des Prüfimpulses aufgehoben ist, um dadurch die Teilwirkung von R 3 und Λ 5 zu ändern.
Oder ähnlich kann ein Teil von Λ 5 durch Q 3 während
des Auftretens von Prüfimpulsen kurzgeschlossen werden.
Wenn ein Betrieb entsprechend F i g. 4c erwünscht ist, kann der Impulsgenerator gemäß Fig.6 so verändert
h5 werden, daß er die Prüfimpulsgruppe unmittelbar nach
dem Anfangsimpuls erzeugt und können gleiche Widerstände R 3 und /?4 in Fig. 8 gewählt werden.
Oder es könnte eine zusammengesetzte GruDDe eemäß
F i g. 4c in F i g. 6 erzeugt werden und jedem Impulseingang der F i g. 8 zugeführt werden.
Es wird vorgezogen, zur Erzeugung der zusammengesetzten Impulse gemäß F i g. 4, wie dargestellt, Gleichspannungsimpulse
zu verwenden. Es ist jedoch auch möglich, anstelle der dargestellten Prüfimpulsgruppen
sinusförmige Änderungen zu verwenden, um die Wechselspannungskomponenten zum Induzieren von
Wirbelströmen im Gegenstand zu schaffen. Fig. 12 zeigt ein Beispiel. Hier ist die Sinuswelle 131 dem
breiten Impuls 132 überlagert. Auch bei solchen zusammengesetzten Impulsen können die Quadratur-Detektoren
und die zweiten Detektoren verwendet werden.
Es wird zwar vorgezogen, mit zusammengesetzten Impulsen zu arbeiten, für einige Anwendungen können
aber auch einfache Gleichspannungsimpulsschaltungen verwendbar sein, insbesondere für Materialien, die
leicht zu sättigen sind.
Fig. 13 zeigt die Verwendung von Gruppen von Impulsen 133, 133', die durch vergleichsweise lange
Zeitintervalle 134 getrennt sind. Wie oben erläutert, haben die Gleichspannungsimpulse eine Gleichspannungskomponente,
wie durch die gestrichelte Linie 135 angedeutet. Bei einem Tastverhältnis von 50% beträgt
der Gleichspannungspegel die Hälfte des Spitzenwertes. Bei Impulsen mit einem Tastverhältnis von 75% ist
der Gleichspannungspegel höher, bei einem Tastverhältnis von 25% ist er niederer. Weil die Spule, der die
Impulse zugeführt werden, einen induktiven Widerstand hat, baut sich während jedes Impulses ein Strom auf und
fällt zwischen den Impulsen etwas ab, wodurch insgesamt ein Gleichstrom entsteht.
In einigen Fällen kann der Gleichspannungs- bzw. der Gleichstrompegel und die Dauer einer gegebenen
Impulsgruppe zur Sättigung des magnetischen Materials ausreichen, wodurch eine zufriedenstellende
Rißfeststellung möglich wird. Es kann mit Quadratur-Detektor gearbeitet werden. Auch kann ein zweiter
Detektor am oder nahe dem Ende einer Impulsgruppe aufgetastet werden, so daß eine Anzeige erzeugt wird,
wenn die Sättigung annähernd vollständig ist und die vorhergehenden Schaltungen einen vergleichsweise
stabilen Zustand erreicht haben.
In einigen Fällen kann es bei leicht zu sättigendem Material möglich sein, mit einer kontinuierlichen Reihe
von Gleichspannungsimpulsen zu arbeiten, ohne daß eine unzulässige Aufheizung entsteht. Dies ist in F i g. 14
dargestellt. Das Tastverhältnis kann hier so gewählt werden, daß ein ausreichender Gleichstrompegel
entsteht, wie durch die Linie 136 dargestellt. Auch hier kann mit Quadratur-Detektoren gearbeitet werden.
F i g. 15 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des Riß-Detektors gemäß Fig.5. Hier werden nur Gleichspannungsmagnetisierungsimpulse
aus einer Impulsquelle 141 der Primärspule 13 der Sonde gemäß Fig. 2
zugeführt. Die Impulse können nach Art der Welle 4 in Fig.8 und 9 erzeugt werden. Die Aufnahme oder
Detektorspulen 18 und 18' der Sonde sind hier in einer Brückenschaltung mit Mittelabgriff an die Primärspule
des Transformators 142 geschaltet. Das Prüfsignal aus der Prüfsignalquelle 143, das eine Wechselstromquelle
hat, wird der Brücke über eine Diagonale zugeführt. Das Prüfsignal kann in Form intermittierender Gruppen von
Impulsen vorliegen, die während der letzten Hälfte jeweiliger Magnetisierungsimpulse ähnlich F i g. 4a und
4b \orliegen und kann in Art der Welle 3 in F i g. 8, 9 erzeugt werden oder kann unmittelbar nach den
Sättigungsimpulsen ähnlich der F i g. 4c erzeugt werden. Bei Gleichspannungsprüfimpulsen hilft deren Gleichspannungskomponente
eine genügende Sättigung des geprüften Gegenstandes aufrechtzuerhalten, wie oben
erläutert Es können jedoch auch kurze Gruppen sinusförmiger Wellen ähnlich der Welle 131 in Fig. 12
verwendet werden. Kleine Amplituden der Wechselspannungskomponente
können ausreichen und dazu beitragen, die differentielle Permeabilität des Gegen-Standes
10 zu verringern, wie oben beschrieben.
Die Detektorspulen 18,18' sind vorteilhafterweise in
Reihe gegeneinander oder in einer Null-Schaltung geschaltet, so daß die in ihnen mittels der Primärspule 13
induzierten Spannungen sich gegenseitig aufheben. Zum anfänglichen Abgleich der Brücke können herkömmliche
Abgleichschaltungen verwendet werden. Die Wechselstromkomponente des Prüfsignals in den
Detektorspulen 18 und 18' induziert im Gegenstand 10 Wirbelströme, deren Veränderungen aufgrund von
Rissen usw. die Brücke aus dem Abgleichszustand bringen und ein Signal in der Ausgangs wicklung 144 des
Transformators erzeugen. Dieses Signal wird verstärkt, in Quadratur-Detektoren 90°-phasenverschoben ausgewertet,
durch zweite Detektoren getriggert und dann weiterverarbeitet und angezeigt, wie anhand Fig.5
beschrieben.
Das Auftasten in den zweiten Detektoren 66 und 66' sollte gegenüber den Anfängen der Gleichspannungsmagnetisierungsimpulse
genügend verzögert sein, damit die resultierenden Signale einer ausreichenden Sättigung
des Gegenstandes entsprechen. Wenn das Prüfsignal nur während oder unmittelbar nach einem
Gleichspannungsimpuls auftritt, sollte das Auftasten auch gegenüber den nachfolgenden Anfängen des
Prüfsignals verzögert sein, so daß Übergangszustände eliminiert ^ind und Ausgangssignale geschaffen werden,
die stabilen Werten entsprechen. Mit den Detektoren und dem Auftasten ist es möglich, eine kontinuierliche
Reihe kurzer Gleichspannungsimpulse oder eine kontinuierliche Sinuswelle als Prüfsignal zu verwenden,
vorausgesetzt, daß eine Überhitzung vermieden wird, weil das Auftasten die Einflüsse des Prüfsignals
zwischen Gleichspannungsmagnetisierungsimpulsen und während des anfänglichen Bereiches jedes Gleichspannungsmagnetisierungsimpulses
ausschalten kann, so daß die resultierenden, festgestellten Signale einer genügenden Sättigung des Gegenstandes entsprechen.
Im allgemeinen erfolgt das Auftasten zu Intervallen, die gegenüber den zugehörigen Anfängen der Gleichspannungsmagnetisierungsimpulse
und der Wechselspannungskomponenten, die während oder unmittelbar nach den Gleichspannungsimpulsen auftreten, verzögert sind.
Auch hier kann mit einer Differentiation des Ausgangssignals einer der Detektorspulen 18 und 18'
gearbeitet werdei, die, wie anhand der F ig. 5,10 und 11
beschrieben, eine Sättigung anzeigt.
Fig. 16 zeigt einen Komparator zum Vergleichen eines geprüften Gegenstandes 145 mit einem Bezugsgegenstand
146. Der geprüfte Gegenstand 145 ist in einer w Prüfspulenanordnung angeordnet oder wird relativ
dazu bewegt. Die Prüfspulenanordnung enthält eine Primärspule 147 und eine Sekundär- oder Aufnahmespule
151. Eine Bezugsspulenanordnung mit einer Primärspule 148 und eine Sekundärspule 152 ist für den
f>5 Bezugsgegenstand 146 vorgesehen. Die Spulen können
je nach Erfordernissen innerhalb oder außerhalb der Gegenstände angeordnet sein. Ein solches Gerät ist
vorteilhaft zur Bestimmung von Veränderungen der
Abmessungen, des Materials usw. eines Gegenstandes.
Den Primärspulen 147 und 148 werden von einer Quelle 149 zusammengesetzte Signale mit Gleichspannungsmagnetisierungsimpulsen
und einer Wechselspannungskomponente zugeführt, ähnlich wie bei dem
Riß-Detektor gemäß Fig.5. Die Ausgänge der Sekundärspulen 151,152 sind vorteilhafterweise gegeneinander
zur Bildung einer Null-Schaltung geschaltet und werden einem Verstärker, Quadratur- und zweiten
Detektoren und Anzeigeschaltungen im Block 153 zugeführt, die ähnlich der F i g. 5 aufgebaut sein können.
Unter Steuerung der Signale aus 149 werden Auftastimpulse für die Quadratur- und zweiten Detektoren i;i 154
erzeugt und 153 zugeführt Erforderlichenfalls können in bekannter Weise Abgleichschaltungen 155 verwendet
werden. Auch kann der Ausgang einer der Sputen 151 und 152 erforderlichenfalls zur Anzeige der Sättigung
differenziert werden, wie oben beschrieben.
Mit Hilfe von Quadratur-Detektoren und Auftastung können Signale erzeugt werden, die einer ausreichenden
Sättigung des geprüften Gegenstandes entsprechen, um die Permeabilität auf einen kleinen Wert zu verringern,
und können Übergangszustände ausgeschaltet werden, so daß Signale stabilen Werten entsprechen.
Fig. 17 zeigt einen Komparator mit einer Brückenschaltung
ähnlich der F i g. 15. Hier werden Gleichspannungsmagnetisierungsimpulse
aus einer Quelle 141 den Primärspulen 147 und 148 zugeführt. Prüfsignale aus
einer Quelle 143 werden einer Diagonale der Brücke zugeführt, die durch Spulen 151, 152 und Widerstände
161 und 162 gebildet ist. Das Signal an der anderen Diagonale der Brücke wird über Abgleichschaltungen
163 (falls erforderlich) Verstärker-, Quadratur-Auswertungs-, Auftast- und Anzeigeschaltungen 164 zugeführt.
In Impulsgeneratoren 65 und 67 können ähnlich wie oben beschrieben Auftastsignale für die Quadratur- und
zweiten Detektoren erzeugt werden.
Die Widerstandszweige 161 und 162 sind hier in der Brückenschaltung und nicht in einem Transformator mit
Mittelabgriff dargestellt; es können auch andere bekannte Brückenschaltungen verwendet werden.
Fig. 18 zeigt eine Anordnung, bei der ein elektrisches Abgleichsignal erzeugt wird und ein Bezugsgegenstand in einer Prüfspule als Basis für einen Vergleich mit nachfolgenden, zu prüfenden Gegenständen verwendet wird. Hier kann die Spule 171 eine der Detektorspulen
Fig. 18 zeigt eine Anordnung, bei der ein elektrisches Abgleichsignal erzeugt wird und ein Bezugsgegenstand in einer Prüfspule als Basis für einen Vergleich mit nachfolgenden, zu prüfenden Gegenständen verwendet wird. Hier kann die Spule 171 eine der Detektorspulen
ίο 18,18' des Riß-Detektors gemäß F i g. 5 oder 15 oder die
Prüfspule 151 eines !Comparators gemäß Fig. 16 oder
17 sein. Die Spule 171 ist über Kondensatoren 173, die
eine Gleichspannungsisolierung bilden, mit einem Transformator 172 mit Mittelabgriff verbunden. Wenn
die Schaltung die Spule 171 unzulässig belastet, kann ein Isolierverstärker verwendet werden.
Vom Generator 174 werden Quadratur-Tastimpulse den Abgriffen von Potentiometern 175 und 176
zugeführt, die parallel zur Primärspule des Transformators 172 liegen. Die Sekundärspule des Transformators
172 ist mit Verstärker-, Quadratur-Detektor-, zweiten Detektor- und Verstärker- und Anzeige-Schaltungen,
ähnlich wie oben beschrieben, verbunden.
Der Gegenstand 177 ist zunächst ein Bezugsobjekt und die Potentiometer 175 und 176 werden so
eingestellt, daß bei 178 eine Bezugsanzeige erhalten wird. Dann wird der Bezugsgegenstand entfernt und es
werden zu prüfende Gegenstände eingesetzt. Unterschiede zwischen einem Prüfgegenstand und dem
Bezugsgegenstand machen sich in Abweichungen von der Bezugsanzeige bei 178 bemerkbar. Vorteilhafterweise
erzeugt die anfängliche Einstellung einen Abgleich, der eine Null-Bezugsanzeige ergibt, so daß
kleine Abweichungen der Prüfgegenstände von dem
J5 anfänglichen Bezugsgegenstand sowie die Richtung der
Abweichung angezeigt werden können.
Hierzu 9 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Wirbelstromprüfgerät zur Prüfung von Gegenständen aus magnetischem Material auf in ihnen
enthaltene Unregelmäßigkeiten mit einem Prüfknopf, der eine von einem Gleichspannungsgenerator
gespeiste Primärspule zum Erzeugen von magnetischem Fluß einer solchen Größe in dem
Gegenstand aufwei.it, daß der Gegenstand bis in
seinen Sättigungsbereich magnetisiert wird, wo die Permeabilität des Gegenstandes klein ist im
Vergleich zu seiner maximalen Permeabilität, der ferner eine von Wechselspannungssignalen gespeiste
Erregerspulenanordnung zum Induzieren von Wirbelströmen in dem Gegenstand und eine
Detektorspuleneinrichtung zum Feststellen von Veränderungen der Wirbelströme aufweist, mit
einer mit dem Ausgang der Detektorspuleneinrichtung verbundenen Detektoreinrichtung zum Erzeugen
von Signalen, die Unregelmäßigkeiten im Gegenstand entsprechen, und mit einer Anzeigeeinrichtung,
die auf die Signale anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungsgenerator (51—59; 141, 149) so ausgebildet ist, daß
er Gleichspannungsimpulse mit einer gegenüber der Impulsdauer großen Wiederholungsdauer erzeugt,
und daß eine Tasteinrichtung (65, 67; 154) vorgesehen ist. die dafür sorgt, daß Fehlerfeststellsignale nur
in einem Zeitintervall der Anzeigeeinrichtung (69) zugeführt werden, das unmittelbar dem Abklingen
von Übergangsvorgängen folgt, die wiederum im Fall, daß die Wechselspannungssignale während der
Gleichspannungsimpulse erzeugt werden, der Vorderflanke des Gleichspannungsimpulses folgen und
im Fall, daß die Wechselspannungssignale als Wechselspannungskomponente unmittelbar nach
der reinen Gleichspannungskomponcnte des intermittierend zusammengesetzten Gleichspannungsimpulses
erzeugt und der Primärspule (13; 147) als Erregerspulenanordnung zugeführt werden, dem
Beginn des Auftretens der Wechselspannungskomponente folgen.
2. Wirbelstromprüfgerät nach Anspruch 1 zum Prüfen von Rohren aus magnetischem Material,
dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkopf (Sonde U) in ein Rohr (10) eingesetzt werden kann und
einen Kern (14) aus magnetischem Material aufweist, um den die Primärspule (13) gewickelt ist, und daß
die Detektorspuleneinrichtung (18, 18') ein Paar Null-Spulen enthält.
3. Wirbelstromprüfgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung
ein Paar Quadratur-Detektoren (64, 64') enthält, die von den Null-Spulen (Detektorspulen 18, 18')
gespeist werden und um 90° gegeneinander phasenverschobene Signale erzeugen, die Rissen
und Fehlern im Gegenstand (Rohr 10) entsprechen.
4. Wirbelstromprüfj,erät nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Detektorspulen (18, 18') zu einer abgeglichenen Brückenschaltung
zusammengeschaltet sind, wobei die Spannung mit einer Wechselspannungskomponente den Detektorspulen
(18, 18') zugeführt ist.
5. Wirbelsiromprüfgerät nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Generator zur Erzeugung der der Primärspule (13; 147) zugeführten
Gleichspannungsinipulse so aufgebaut ist. claG die Gleichspannungsimpulse einen relativ langandauernden
Anfangswert (31,37,42) aufweisen, dem mehrere wesentlich kürzere Gleichspannungsimpulse
(32,36,41) folgen.
-,
6. Wirbelstromprüfgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzenwerte der
kürzeren Gleichspannungsimpulse (32, 36) etwa gleich oder größer als der Anfangswert (31, 37) und
die minimalen Werte der kürzeren Impulse gleich
ι» oder größer als der minimale Wert des zusammengesetzten
Impulses sind.
7. Wirbelstromprüfgerät nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Differenzierschaltung (121),
der Signale aus der Detektorspuleneinrichtung
ι, (Detektorspule 18) zugeführt werden, die Veränderungen
im magnetischen Fluß des Gegenstandes während der Gieichspannungsimpulse entsprechen,
und eine Einrichtung (Oszilloskop 123) zum Anzeigen des Ausgangs der Differenzierschaltung.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US63979675A | 1975-12-11 | 1975-12-11 | |
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