DE2944819A1

DE2944819A1 - Verfahren und vorrichtung zum einleiten von ultraschall in elektrisch leitfaehiges material

Info

Publication number: DE2944819A1
Application number: DE19792944819
Authority: DE
Inventors: Thomas Robinson
Original assignee: Studsvik Energiteknik AB
Current assignee: Studsvik Energiteknik AB
Priority date: 1978-11-07
Filing date: 1979-11-06
Publication date: 1980-05-14
Also published as: SE445616B; GB2040584B; GB2040584A; SE7811512L; DE2944819C2

Description

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Verfahren und Vorrichtung zum Einleiten von Ultraschall in elektrisch leitfähiges Material

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einführen von elektromagnetisch erzeugtem Ultraschall in elektrisch leitfähiges Material.

Die Erfindung betrifft ferner einen durch Ultraschall gedämpften Elektromagneten, der wie das Verfahren dazu bestimmt ist, vorwiegend zum Durchführen von zerstörungsfreien Prüfungen in elektrisch leitfähigem Material durch elektromagnetisch erzeugten Ultraschall verwendet zu werden.

Beim elektromagnetischen Ultraschallprüfen wird Ultraschall berührungsfrei in ein elektrisch leitfähiges Material mittels eines starken magnetischen Feldes eingeleitet, das durch einen Elektromagneten erzeugt wird und in dem eine Sendespule vorgesehen ist, die mit Strom von Ultraschallfrequenz gespeist wird.

Eine eingeleitete und in dem Material reflektierte Ultraschallwelle wird mittels eines Empfängers empfangen, der auch einen Elektromagnet aufweist, der ein starkes magnetisches Feld erzeugt, in dem eine Empfangsspule vorgesehen ist. In der Empfangsspule wird ein Signal erzeugt, wenn das zu prüfende Material in dem magnetischen Feld des Empfängers vibriert.

Wenn Ströme durch eine Sendespule und in das Testmaterial fließen, üben sie Kräfte auf den Elektromagneten des Senders aus, besonders im Kern des Magneten. Hierdurch wird Ultraschall in den Kern eingeleitet. Der Ultraschall wird an den Begrenzungsflächen des Kerns reflektiert, was zur Folge hat, daß es eine relativ lange Zeit dauert, bis der Ultraschall

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vollständig abgeklungen ist. Das durch den Elektromagneten des Senders erzeugte magnetische Feld vibriert infolgedessen in der gleichen Weise, und daher induziert das magnetische Feld eine Spannung entsprechend den Variationen in der Empfangsspule. Hierdurch entsteht somit eine Störung in der Empfangsspule, die die Empfangsbedingungen wesentlich verschlechtert.

In bestimmten Fällen kann auch der Kern des Elektromagneten des Empfängers anfangen zu vibrieren, was zusätzlich die Empfangsbedingungen stört.

Durch die Erfindung sollen diese Störungen vermindert oder ganz ausgeschaltet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich aus Anspruch 1, und die erfindungsgemäße Vorrichtung ergibt sich aus Anspruch

Wenn elektromagnetischer Ultraschall bei einem nichtmagnetischen Testmaterial angewendet wird, ist das Signal/Stör-Verhältnis ungünstig, wodurch es zusätzlich erschwert wird, ein empfangenes Ultraschallecho aufzufinden oder zu erfassen.

Ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung ist die Anzeige von Fehlstellen in Werkstücken oder Produkten aus Stahl, die auf eine Temperatur oberhalb der Curie-Temperatur erhitzt sind.

Die Erfindung bietet wesentliche Vorteile durch verbesserte Empfangsbedingungen, die natürlich auch im Falle von magnetischem Testmaterial verbessert werden.

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Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren und eine Vorrichtung vorwiegend zum Durchführen einer zerstörungsfreien Prüfung in elektrisch leitfähigem Material mit Hilfe von elektromagnetisch erzeugtem Ultraschall. Wenn ein Ultraschallimpuls von einer Spule ausgesendet wird, die in dem magnetischen Feld eines Elektromagneten angeordnet ist, werden Ultraschallwellen in dem Kern infolge von Strömen in der Sendespule und dem Testmaterial erzeugt, wodurch sowohl der Kern als auch sein magnetisches Feld mit Ultraschallfrequenz vibrieren. Ein solches vibrierendes magnetisches Feld stört eine Empfangsspule.

Gemäß der Erfindung wird ein Kern vorgeschlagen, der ganz oder teilweise aus einem Verbundmaterial besteht, das im wesentlichen aus festen Teilchen von magnetischem Material und einem elastischen Bindemittel besteht. Dieses Verbundmaterial hat eine starke dämpfende Wirkung auf den Ultraschall. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist wenigstens der äußere Teil jedes Polschuhs des Kerns aus dem Verbundmaterial hergestellt. Nach einem anderen Ausführungsbeispiel ist der ganze Kern aus Verbundmaterial hergestellt. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das Verbundmaterial im wesentlichen aus Eisenpulver und einem Epoxyharz.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch eine elektromagnetische Prüfanordnung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 zeigt einen Kern für einen Elektromagneten nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 3, 4, 5 zeigen Kerne nach anderen Ausführungsbeispielen.

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In Fig. 1 sind zwei Elektromagnet^ 1, 2 mit zugehörigen Wicklungen 3, 4 dargestellt. Der erste Elektromagnet 1 dient dazu, ein starkes magnetisches Feld zum übertragen eines Ultraschallsignals mittels einer Sendespule 5 zu erzeugen. Der zweite Elektromagnet 2 dient dazu, ein starkes magnetisches Feld zum Empfangen eines Ultraschallechos mittels einer Empfangs spule 6 zu erzeugen.

In diesem Ausführungsbeispiel sind die Wicklungen 3, 4 der Elektromagnete I₁ 2 über Leiter 7 von der gleichen, nicht dargestellten Generatoranordnung gespeist. Die Sendespule wird über die Leiter 8 von einem nicht dargestellten Generator gespeist, der Ultraschallfrequenz erzeugt. Die Empfangsspule 6 ist über Leiter 9 mit Verstärkern und Erfassungskreisen verbunden. Die Funktion dieser elektromagnetischen Testanordnung ist im Prinzip kurz gesagt wie folgt:

Die Elektromagnete 1, 2 werden aktiviert, worauf ein im wesentlichen sinusförmiger Ultraschallimpuls von dem Generator zu der Sendespule 5 geleitet wird. Der Strom in der Sendespule induziert einen entsprechend veränderlichen Strom in der Oberfläche dea Testmaterials 10. Da in einem Leiter ein magnetisches Feld B besteht und zur gleichen Zeit ein Strom 1 in dem Leiter, d.h. in dem Testmaterial fließt, wird auf den Leiter eine Kraft F, die sog. Lorentz-Kraft ausgeübt, die wie folgt ausgedrückt wird:

F = IxB,

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wobei 1 die Dimension A/m und B die Dimension Tesla hat.

In diesem Fall oszilliert die Kraft mit Ultraschallfrequenz, wodurch elastische Ultraschallwellen in das Testmaterial eingeleitet werden.

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Wenn die Ultraschallwellen an dem Empfänger ankommen, wird entsprechend dem Faraday'sehen Induktionsgesetz ein entsprechendes elektrisches Signal in der Empfangsspule erzeugt, die in einem magnetischen Feld des zweiten Elektromagneten angeordnet ist.

Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art treten Schwingungen mit Ultraschallfrequenz im Kern des Elektromagneten 1 des Senders infolge von Strömen in der Sendespule 5 und in dem Testmaterial 10 auf. Das hierbei durch den Kern erzeugte magnetische Feld schwingt ebenfalls, und dadurch induziert dieses magnetische Feld eine Spannung mit entsprechenden Variationen in der Empfangsspule 6.

In Fig. 1 sind die beiden Elektromagnete verhältnismäßig dicht beieinander angeordnet dargestellt. Der Abstand zwischen ihnen ist jedoch innerhalb der normalen Grenzen für solche Testvorrichtungen nicht von wesentlicher Bedeutung für das Ausschalten der zuvor erwähnten Probleme.

Der Kern 11 des ersten Elektromagneten 1 in Fig. 1 ist, wie unten in Bezug auf Fig. 2 beschrieben wird, ausgebildet, wodurch die genannten Probleme beseitigt werden.

In Fig. 2 ist ein Kern 11 gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei z.B. das Joch 12 und die Schenkel 13, 14 geschichtet sind. Der Äußere Teil jedes Polschuhs des Kerns 11 besteht aus einem Teil 15, 16 aus einem Material, das auf Ultraschall eine hohe dämpfende Wirkung ausübt. Dieses Material 15, 16 ist ein Verbundmaterial, das im wesentlichen aus kleinen festen Teilchen aus magnetischem Material besteht, die durch ein elastisches Bindemittel umgeben sind. Ein solches Verbundmaterial hat eine starke

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Dämpfungswirkung auf Ultraschall. Das Bindemittel in dem Verbundmaterial besteht aus einem Werkstoff, der den Ultraschall von dem Kern leicht in die Teile 15, 16 leitet, vorzugsweise aus einem Epoxyharz, wie es beispielsweise unter dem eingetragenen Warenzeichen "Araldite" vertrieben wird. Die festen Teilchen bestehen vorzugsweise aus Eisenpulver, wodurch eine gute magnetische Permeabilität aufrechterhalten werden kann.

Durch die Teile 15, 16 wird Ultraschall, der in den Kern eingeleitet wird, gegen die Begrenzungsflächen des Kerns reflektiert und fließt in die Teile 15, 16 wegen des guten Ultraschallkontakts. Die Ultraschallwellen werden jedoch in den Teilen 15, 16 gedämpft, und daher fließt nur ein sehr kleiner Teil des Ultraschalls, der in diesen Teilen angekommen ist, wieder in den Kern 11. Das Ergebnis besteht somit darin, iaß in den Kern eingeleiteter Ultraschall schnell zum Abklingen gebracht wird.

Ein weiterer Vorteil des Dämpfungsmaterials besteht darin, daß das elastische Bindemittel ein elektrischer Isolator ist, wodurch die Bildung von Wirbelströmen verhindert wird.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 3 dargestellt ist, weist auch das Joch einen Teil aus dem genannten Material auf, der teilweise dazu dient, eingeleiteten Ultraschall zu dämpfen, und teilweise dazu, den magnetischen Querschnitt des Jochs zu vergrößern.

Gemäß einem in Fig. H dargestellten dritten Ausführungsbeispiel, bestehen die äußeren Wände 17 des gesamten Magnetkerns 11 aus dem erwähnten ultraschall-dämpfenden Material.

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Dieses zuletzt genannte Ausführungsbeispiel bewirkt eine größere Dämpfung von eingeleitetem Ultraschall als die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2 und 3.

Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen ist der Kern so gestaltet, daß das Dämpfungsmaterial eine Dicke von 1 bis 20 mm, vorzugsweise 3 bis 5 mm hat. Die Dicke muß jedoch an die Stärke der magnetischen Felder und an die Stärke der Ultraschallsignale angepaßt werden.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 5 dargestellt ist, ist der ganze Kern 18 aus dem genannten Dämpfungsmaterial hergestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Kern vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das aus Eisenpulver von 2 oder mehr Größen sowie aus dem genannten elastischen Bindemittel besteht. Durch Verwendung von Eisenpulver unterschiedlicher Größen wird ein höherer Eisenanteil in dem Kern erreicht. Die magnetische Sättigungsgrenze des Kerns beträgt hierdurch bis zu 70 % der Sättigungsgrenze eines herkömmlichen Kerns.

Neben den mehreren beschriebenen Ausführungsbeispielen sind weitere Ausführungsbeispiele denkbar, z.B. ein Kern, der aus Eisenlamellen besteht, die durch das genannte Dämpfungsmaterial miteinander verbunden sind, oder ein Kern, der aus Eisenstäben besteht, die durch das genannte Material miteinander verbunden sind.

In den meisten Fällen ist es ausreichend, den Elektromagneten 1 des Senders mit einem Kern 11, 18 entsprechend der Erfindung zu versehen. In manchen Fällen ist es jedoch notwendig oder vorteilhaft, auch den Elektromagneten 2 des Empfängers mit einem Kern entsprechend der Erfindung zu versehen.

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Die Vorteile der Erfindung sind bedeutend, weil Störungen im Empfang, die durch den Kern 11, l8 des Elektromagneten des Senders erzeugt werden, wesentlich reduziert oder ganz eliminiert werden, wobei gleichzeitig die Bildung von Wirbelströmen verhindert ist.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Das Verbundmaterial kann z.B. aus einem anderen festen magnetischen Material und einem anderen elastischen Bindemittel bestehen.

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Claims

PATENTANWÄLTE

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN

DIPL.-PHYS. DIPL.-INC.

STUDSVIK ENERGITEKNIK AB no-en-12

L/Bi.

Verfahren und Vorrichtung zum Einleiten von Ultraschall in elektrisch leitfähiges Material

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Einleiten von elektromagnetisch erzeugtem Ultraschall in elektrisch leitfähiges Material beim zerstörungsfreien Prüfen, wobei ein magnetisches Feld erzeugt und eine Spule mit einem Impuls von Ultraschallfrequenz gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld mit Hilfe eines Elektromagneten erzeugt wird, der einen gegen Ultraschall gedämpften Magneten aufweist, der ganz oder teilweise aus einem Verbundmaterial hergestellt ist, das im wesentlichen aus festen Teilchen von magnetischem Material und einem elastischen Bindemittel besteht.
2. Gegen Ultraschall gedämpfter Elektromagnet, insbesondere bestimmt zur Verwendung in Vorrichtungen zur Durchführung zerstörungsfreier Prüfungen in elektrisch leitfähigem Material mit Hilfe von elektromagnetisch erzeugtem Ultraschall, mit einem Kern und einer Wicklung, dadurch gekennzeichnet , daß der Kern (11, 18) ganz oder teilweise aus Verbundmaterial hergestellt ist, das im wesentlichen aus festen Teilchen von magnetischem Material und einem elastischen Bindemittel besteht.

D-7070 SCHWABISCH GMÜND H;Fm4iWAmE KONTEN: D-βΟΟΟ MÜNCHEN 7O

Telefon: (07171) 56 90 Deutsche Bank AC Postscheckkonto K. LEHMANN Telefon: (089) 7252071 H. SCHROETER Telegramme: SitutH'pat München 70/37 369 München Lipowskyitrillc 10 Telegramme: Schrotpal Uodisgauc 49 Telex: 7 241868 pagd d (BLZ 7OO7OOIO) 167941-804 Tel«: 5 212 24t pjw« d

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3. Elektromagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Verbundmaterial im wesentlichen aus Eisenpulver und einem Epoxyharz besteht.
4. Elektromagnet nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein Teil des Kernes (11), der den äußeren Teil jedes Polschuhes (15, 16) darstellt, aus dem Verbundmaterial hergestellt ist.
5. Elektromagnet nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die äußeren Wände (17) des gesamten Kernes (11) aus dem Verbundmaterial bestehen.
6. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Kern (11) so gestaltet ist, daß das Verbundmaterial eine Dicke von 1 bis 20 mm, vorzugsweise 3 bis 5 nun hat.
7. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der ganze Kern (18) aus einem Verbundmaterial hergestellt ist, das zwei oder mehr Größen von Eisenpulver und ein Bindemittel aufweist.