DE2944819C2

DE2944819C2 -

Info

Publication number: DE2944819C2
Application number: DE19792944819
Authority: DE
Inventors: Thomas Nykoeping Se Robinson
Original assignee: Studsvik Energiteknik AB
Current assignee: Studsvik Energiteknik AB
Priority date: 1978-11-07
Filing date: 1979-11-06
Publication date: 1988-11-10
Also published as: SE445616B; GB2040584A; GB2040584B; SE7811512L; DE2944819A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von elektrisch leitfähigem Material mittels elektro magnetisch erzeugtem Ultraschall gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for non-destructive Testing of electrically conductive material using electro magnetically generated ultrasound according to the preamble of Claim 1.

Beim elektromagnetischen Ultraschallprüfen von Werkstoffen wird der Ultraschall berührungsfrei mittels eines starken magneti schen Feldes in einem elektrisch leitfähigen Material indu ziert. Das magnetische Feld wird durch einen Elektromagneten mit einer Sendespule erzeugt, die mit Strom von Ultraschall frequenz gespeist wird.In electromagnetic ultrasonic testing of materials the ultrasound contact-free using a strong magnet field in an electrically conductive material indu graces. The magnetic field is generated by an electromagnet generated with a transmitter coil using electricity from ultrasound frequency is fed.

Die im Material induzierte Ultraschallwelle wird im Material reflektiert und wird mittels eines Empfängers empfangen, der ebenfalls einen Elektromagneten besitzt, welcher ein starkes magnetisches Feld erzeugt, sowie eine Empfangsspule. In der Empfangsspule des Empfängers wird ein Signal erzeugt, wenn das zu prüfende Material in dem magnetischen Feld des Em pfängers vibriert. The ultrasonic wave induced in the material becomes in the material reflected and is received by a receiver that also has an electromagnet, which is a strong one generated magnetic field, as well as a receiving coil. In the Receiving coil of the receiver a signal is generated when the material to be tested in the magnetic field of the Em recipient vibrates.

Wenn Ströme durch die Sendespule und im zu prüfenden Material fließen, üben sie Kräfte auf den Elektromagneten des Senders aus, insbesondere auf den Kern des Elektromagneten. Dadurch wird in den Kern Ultraschall eingeleitet. Der Ultraschall wird an Begrenzungsflächen des Kerns reflektiert, und deshalb dauert es relativ lange, bis der eingeleitete Ultraschall vollständig abgeklungen ist. Das durch den Elektromagneten des Senders erzeugte magnetische Feld vibriert infolgedessen in der gleichen Weise und induziert eine Spannung entsprechend den Variationen in der Empfangsspule. Dadurch entstehen Stör signale in der Empfangsspule, welche die Empfangsbedingungen wesentlich verschlechtern.If there are currents through the transmitter coil and in the material to be tested flow, they exert forces on the electromagnet of the transmitter from, especially to the core of the electromagnet. Thereby ultrasound is introduced into the core. The ultrasound is reflected on boundary surfaces of the core, and therefore it takes a relatively long time for the ultrasound to start has completely subsided. That through the electromagnet the magnetic field generated by the transmitter vibrates as a result in the same way and induces a voltage accordingly the variations in the receiving coil. This creates sturgeon signals in the receiving coil, which the reception conditions deteriorate significantly.

In bestimmten Fällen kann auch der Kern des Elektromagneten im Empfänger in Vibration geraten, wodurch die Empfangsbedin gungen zusätzlich gestört werden.In certain cases, the core of the electromagnet can also be used vibrate in the receiver, causing the reception condition additional disturbances.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung und der Stand der Technik gemäß den vorstehenden Ausführungen sind allgemein aus der DE-OS 26 57 957 bekannt, sowie aus den folgenden Ver öffentlichungen: Fachberichte Hüttenpraxis Metallweiterverar beitung, 17. Jahrgang, Heft 10/79, Seiten 348 bis 355; sowie Materialprüfung 20, Nr. 4, April 1978, Seiten 147 bis 154.A device of the type mentioned and the state the technology according to the above is general known from DE-OS 26 57 957, and from the following Ver Publications: Technical reports metallurgical practice metal processing beitung, 17th year, issue 10/79, pages 348 to 355; such as Material Testing 20, No. 4, April 1978, pages 147 to 154.

Aus der GB-PS 14 43 756 ist ferner ein Verfahren zur Her stellung eines Permanentmagneten bekannt, der aus einer Viel zahl von orientierten Pulverpartikeln aus magnetischem Material besteht, wobei die Partikel mit einem organischen Polymer be schichtet sind. Die Verwendung von Verbundmaterialien in Elektromagneten ist somit bekannt.From GB-PS 14 43 756 is also a method for Her position of a permanent magnet known from a lot Number of oriented powder particles made of magnetic material there, the particles be with an organic polymer are stratified. The use of composite materials in Electromagnets are therefore known.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung zu schaffen, die ein verbessertes Signal/Stör-Verhältnis aufweist. The object underlying the invention is a Device of the type mentioned in the preamble of claim 1 to create, which has an improved signal / interference ratio.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved by the in claim 1 mentioned features solved.

Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung wird erreicht, daß Vibrationen des Kerns des Elektromagneten ganz wesent lich vermindert werden, so daß Störsignale in der Empfangs spule reduziert werden.This configuration according to the invention achieves that vibrations of the core of the electromagnet are very essential Lich be reduced so that interference signals in the reception coil can be reduced.

Als besonders vorteilhaft erweist sich diese Reduzierung der Störungen dann, wenn ein elektromagnetisch erzeugter Ultra schall zur Prüfung eines nichtmagnetischen Werkstoffes ver wendet wird. Hierbei ist nämlich das Signal/Stör-Verhältnis besonders ungünstig, so daß eine Verminderung der Störungen besonders wertvoll ist. Ein Beispiel für eine derartige An wendung ist die Materialprüfung auf Fehlstellen in Werk stücken oder Produkten aus Stahl, die auf eine Temperatur oberhalb der Curie-Temperatur erhitzt sind.This reduction of turns out to be particularly advantageous Interference when an electromagnetically generated Ultra ver for testing a non-magnetic material is applied. This is because the signal / interference ratio particularly unfavorable, so that a reduction in interference is particularly valuable. An example of such an approach The application is the material inspection for defects in the factory pieces or steel products that are at a temperature are heated above the Curie temperature.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ergeben sich also wesentliche Vorteile durch verbesserte Empfangsbedingungen, die auch bei magnetischem Testmaterial vorteilhaft sind.The device according to the invention thus results significant advantages through improved reception conditions, which are also advantageous with magnetic test material.

Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Preferred configurations of the device according to the invention are marked in the subclaims.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezug nahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigtThe invention will now be described, for example, with reference take explained in more detail on the drawing; it shows

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer elektromagnetischen Ultraschall-Prüfanordnung; Fig. 1 is a schematic representation of an electromagnetic ultrasonic inspection system;

Fig. 2 eine Ausführungsform eines Kerns für einen Elektro magneten; und Fig. 2 shows an embodiment of a core for an electric magnet; and

Fig. 3, 4 und 5 weitere Ausführungsbeispiele eines Kerns für einen Elektromagneten. Fig. 3, 4 and 5 show further embodiments of a core for an electromagnet.

In Fig. 1 sind zwei Elektromagnete 1, 2 mit zugehörigen Wick lungen 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 magneti sches Feld zum Empfangen eines Ultraschallechos mittels einer Empfangsspule 6 zu erzeugen.In Fig. 1, two electromagnets 1, 2 with associated Wick lungs 3, 4 are shown. The first electromagnet 1 serves to generate a strong magnetic field for transmitting an ultrasound signal by means of a transmission coil 5 . The second electromagnet 2 serves to generate a strong magnetic field for receiving an ultrasonic echo by means of a receiving coil 6 .

In diesem Ausführungsbeispiel sind die Wicklungen 3, 4 der Elektromagnete 1, 2 über Leiter 7 von der gleichen, nicht dargestellten Generatoranordnung gespeist. Die Sendespule 5 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 Testan ordnung ist im Prinzip kurz gesagt wie folgt:In this embodiment, the windings 3, 4 of the electromagnets 1, 2 are fed via conductors 7 from the same generator arrangement, not shown. The transmitter coil 5 is fed via the conductor 8 by a generator, not shown, which generates the ultrasound frequency. The receiving coil 6 is connected to amplifiers and detection circuits via conductors 9 . In principle, the function of this electromagnetic test arrangement is briefly as follows:

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 des Testmaterials 10. Da in einem Leiter ein magne tische Feld B besteht und zur gleichen Zeit ein Strom l 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:The electromagnets 1, 2 are activated, whereupon an essentially sinusoidal ultrasound pulse is conducted from the generator to the transmitter coil 5 . The current in the transmitter coil induces a correspondingly variable current in the surface of the test material 10 . Since there is a magnetic field B in a conductor and at the same time a current I flows in the conductor, ie in the test material, a force F , the so-called Lorentz force, is exerted on the conductor, which is expressed as follows:

F = l × B, F = l × B ,

wobei l die Dimension A/m² und B die Dimension Tesla hat.where l has the dimension A / m ² and B has the dimension Tesla.

In diesem Fall oszilliert die Kraft mit Ultraschallfrequenz, wodurch elastische Ultraschallwellen in das Testmaterial ein geleitet werden. In this case the force oscillates at ultrasonic frequency, which causes elastic ultrasonic waves to enter the test material be directed.

Wenn die Ultraschallwellen an dem Empfänger ankommen, wird entsprechen dem Faraday'schen Induktionsgesetz ein ent sprechendes elektrisches Signal in der Empfangsspule erzeugt, die in einem magnetischen Feld des zweiten Elektromagneten 2 angeordnet ist.When the ultrasonic waves arrive at the receiver, a corresponding electrical signal is generated in accordance with Faraday's law of induction in the receiving coil, which is arranged in a magnetic field of the second electromagnet 2 .

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 known devices of this type, vibrations with an ultrasonic frequency occur in the core of the electromagnet 1 of the transmitter as a result of currents in the transmitter coil 5 and in the test material 10 . The magnetic field generated here by the core also oscillates, and as a result, this magnetic field induces a voltage with corresponding variations in the receiving coil 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 Test vorrichtungen nicht von wesentlicher Bedeutung für das Aus schalten der zuvor erwähnten Probleme.In Fig. 1, the two electromagnets are shown relatively close together. However, the distance between them is not essential for switching off the aforementioned problems within the normal limits for such test devices.

Der Kern 11 des ersten Elektromagneten 1 in Fig. 1 ist, wie unten in bezug auf Fig. 2 beschrieben wird, ausgebildet, wo durch die genannten Probleme beseitig werden.The core 11 of the first electromagnet 1 in FIG. 1 is designed, as will be described below with reference to FIG. 2, where the problems mentioned are eliminated by this.

In Fig. 2 ist ein Kern 11 gemäß dem ersten bevorzugten Aus führungsbeispiel dargestellt, wobei z. B. das Joch 12 und die Schenkel 13, 14 geschichtet sind. Der äußere Teil jedes Pol schuhs 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 um geben sind. Ein solches Verbundmaterial hat eine starke Dämpfungswirkung auf Ultraschall. Das Bindemittel in dem Verbundmaterial besteht aus einem Werkstoff, der den Ultra schall von dem Kern leicht in die Teile 15, 16 leitet, vor zugsweise 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.In Fig. 2, a core 11 according to the first preferred exemplary embodiment is shown, z. B. the yoke 12 and the legs 13, 14 are layered. The outer part of each pole shoe of the core 11 consists of a part 15, 16 made of a material which has a high damping effect on ultrasound. This material 15, 16 is a composite material which consists essentially of small solid particles of magnetic material, which are given by an elastic binder. Such a composite material has a strong damping effect on ultrasound. The binder in the composite material consists of a material that easily directs the ultrasound from the core into the parts 15, 16 , preferably from an epoxy resin, as is sold, for example, under the registered trademark "Araldite". The solid particles are preferably made of iron powder, whereby good magnetic permeability can be maintained.

Durch die Teile 15, 16 wird Ultraschall, der in den Kern 11 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 Teilchen angekommen ist, wieder in den Kern 11. Das Ergebnis besteht somit darin, daß in den Kern eingeleiteter Ultraschall schnell zum Ab klingen gebracht wird.The parts 15, 16 reflect ultrasound which is introduced into the core 11 against the boundary surfaces of the core and flows into the parts 15, 16 because of the good ultrasound contact. However, the ultrasonic waves are attenuated in the parts 15, 16 and therefore only a very small part of the ultrasound that has arrived in these particles flows back into the core 11 . The result is that ultrasound introduced into the core is quickly brought to sound.

Ein weiterer Vorteil des Dämpfungsmaterials besteht darin, daß das elastische Bindemittel ein elektrischer Isolator ist, wodurch die Bildung von Wirbelströmen verhindert wird.Another advantage of the damping material is that that the elastic binder is an electrical insulator, which prevents the formation of eddy currents.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 3 dargestellt ist, weist auch das Joch einen Teil 17 aus dem genannten Material auf, der teilweise dazu dient, eingeleiteten Ultraschall zu dämpfen, und teilweise dazu, den magnetischen Querschnitt des Jochs zu vergrößern.According to a second exemplary embodiment of the invention, which is shown in FIG. 3, the yoke also has a part 17 made of the material mentioned, which partly serves to dampen introduced ultrasound and partly to enlarge the magnetic cross section of the yoke.

Gemäß einem in Fig. 4 dargestellten dritten Ausführungsbei spiel, bestehen die äußeren Wände 17 des gesamten Magnetkerns 11 aus dem erwähnten ultraschall-dämpfenden Material. According to a third embodiment shown in Fig. 4 game, the outer walls 17 of the entire magnetic core 11 are made of the aforementioned ultrasound-damping material.

Dieses zuletzt genannte Ausführungsbeispiel bewirkt eine größere Dämpfung von eingeleitetem Ultraschall als die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2 und 3.This last-mentioned exemplary embodiment brings about greater attenuation of introduced ultrasound than the exemplary embodiments according to FIGS. 2 and 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.In the above embodiments, the core is like this designed that the damping material has a thickness of 1 to 20 mm, preferably 3 to 5 mm. However, the thickness must increase the strength of the magnetic fields and the strength of the Ultrasound signals are adjusted.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 5 dargestellt ist, ist der ganze Kern 18 aus dem genannten Dämpfungsmaterial hergestellt. Bei diesem Aus führungsbeispiel 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 magne tische Sättigungsgrenze des Kerns beträgt hierdurch bis zu 70% der Sättigungsgrenze eines herkömmlichen Kerns.According to a further preferred exemplary embodiment, which is shown in FIG. 5, the entire core 18 is produced from the aforementioned damping material. In this exemplary embodiment, the core is preferably made of a material which consists of iron powder of 2 or more sizes and of the elastic binder mentioned. By using iron powder of different sizes, a higher iron content in the core is achieved. The magnetic saturation limit of the core is thus up to 70% of the saturation limit of a conventional core.

Neben den mehreren beschriebenen Ausführungsbeispielen sind weitere Ausführungsbeispiele denkbar, z. B. ein Kern, der aus Eisenlamellen besteht, die durch das genannte Dämpfungs material miteinander verbunden sind, oder ein Kern, der aus Eisenstäben besteht, die durch das genannte Material miteinander verbunden sind.In addition to the several exemplary embodiments described other embodiments conceivable, for. B. a core that consists of iron lamellas caused by the aforementioned damping material are interconnected, or a core that consists of iron bars made by the material mentioned are interconnected.

In den meisten Fällen ist es ausreichend, den Elektromagneten 1 des Senders mit einem Kern 11, 18 entsprechend der Erfin dung 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. In most cases, it is sufficient to provide the electromagnet 1 of the transmitter with a core 11, 18 according to the inven tion. In some cases, however, it is necessary or advantageous to also provide the electromagnet 2 of the receiver with a core according to the invention.

Die Vorteile der Erfindung sind bedeutend, weil Störungen im Empfang, die durch den Kern 11, 18 des Elektromagneten 1 des Senders erzeugt werden, wesentlich reduziert oder ganz eliminiert werden, wobei gleichzeitig die Bildung von Wirbel strömen verhindert ist.The advantages of the invention are significant because interference in reception, which is generated by the core 11, 18 of the electromagnet 1 of the transmitter, is substantially reduced or eliminated, at the same time preventing the formation of eddy currents.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs beispiele beschränkt. Das Verbundmaterial kann z. B. aus einem anderen festen magnetischen Material und einem anderen elastischen Bindemittel bestehen.The invention is not based on the embodiment described examples limited. The composite material may e.g. B. from another solid magnetic material and another elastic binders exist.

Claims

1. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von elektrisch leitfähigem Material mittels elektromagnetisch erzeugtem Ultraschall, mit einem Elektromagneten, der einen Kern und eine Wicklung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes sowie in diesem Feld angeordnete Sende- bzw. Empfangs spulen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung von Ultraschallschwingungen im Kern (11, 19) dieser Kern ganz oder teilweise aus einem Ver bundmaterial hergestellt ist, das feste Teilchen aus magnetischem Material und ein elastisches Bindemittel umfaßt. 1. Device for the non-destructive testing of electrically conductive material by means of electromagnetically generated ultrasound, with an electromagnet which has a core and a winding for generating a magnetic field and in this field arranged transmitting or receiving coils, characterized in that for damping Ultrasonic vibrations in the core ( 11, 19 ) this core is wholly or partly made of a composite material that comprises solid particles of magnetic material and an elastic binder.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verbundmaterial aus Eisenpulver und einem Epoxydharz besteht.2. Device according to claim 1, characterized records that the composite material consists of iron powder and an epoxy resin.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Kernes (11), der den äußeren Teil eines Polschuhes (15, 16) darstellt, aus dem Verbundmaterial hergestellt ist.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that at least part of the core ( 11 ), which is the outer part of a pole piece ( 15, 16 ), is made of the composite material.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Wände (17) des gesamten Kernes (1) aus dem Verbundmaterial bestehen.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the outer walls ( 17 ) of the entire core ( 1 ) consist of the composite material.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (11) so ge staltet ist, daß das Verbundmaterial eine Dicke von 1 bis 20 mm, vorzugsweise 3 bis 5 mm hat.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the core ( 11 ) is designed so that the composite material has a thickness of 1 to 20 mm, preferably 3 to 5 mm.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ganze Kern (18) aus einem Verbundmaterial hergestellt ist, das zwei oder mehr Teilchengrößen von Eisenpulver und ein Bindemittel aufweist.6. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the whole core ( 18 ) is made of a composite material having two or more particle sizes of iron powder and a binder.