DE3050487C1 - Elektrodynamischer Wandlerkopf - Google Patents

Description

• Um ein möglichst starkes Magnetfeld parallel zum Werkstück und mittig zum Luftspalt zu erzeugen, wird ferner vorgeschlagen, daß die Stirnflächen des inneren und des äußeren Polschuhs zueinander oder in etwa zueinander fluchtend angeordnet sind und gleich oder in etwa die gleiche Größe aufweisen.
• Als besonders vorteilhaft hat sich eine Polschuhkonfiguration herausgestellt, bei der bei konisch ausgebildetem freien Ende des inneren Polschuhs die Innenfläche der geneigten Enden der Schenkel des äußeren Polschuhs jeweils vorzugsweise aus drei Abschnitten zusammengesetzt ist, von denen der äußere Abschnitt einen Neigungswinkel gegenüber seiner Stirnfläche aufweist, der der Neigung der konischen Verjüngung des inneren Polschuhs gegenüber seiner Stirnfläche entspricht.
• Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen elektrodynamischen Wandlerkopfes, F i g. 2 einen Ausschnitt des elektrodynamischen Wandlerkopfes nach F i g. 1 in vergrößerter Darstellung und F i g. 3 vom elektrodynamischen Wandlerkopf ausgehende Magnetfeldlinien.
• In F i g. list im Längsschnitt ein elektrodynamischer Wandler 1 dargestellt, der im wesentlichen aus einem Elektromagneten mit Erregerwicklung 22, einer Wirbelstromerregerspule 5 und einer Wirbelstromempfangsspule 3 besteht. Der Elektromagnet weist im Ausführungsbeispiel im Schnitt ein M-förmig ausgebildetes Magnetjoch auf, das aus einem äußeren Polschuh 11 sowie einem inneren Polschuh 8 zusammengesetzt ist.
• Der äußere Polschuh 11 umgibt den inneren Polschuh 8 konzentrisch und weist einen in dessen Richtung abgewinkelten Randbereich auf, der in der Darstellung durch zwei Schenkel verdeutlicht wird. Ferner verjüngt sich der innere Polschuh 8 zu seinem freien Ende hin.
• Die Erreger- und Empfangsspule 5 bzw. 3 sind konzentrisch im Luftspalt zwischen innerem und äußerem Polschuh 8, 11 angeordnet. Dabei sind die Spulen gegenüber einem Prüfling 2 wärmegeschützt angeordnet, da nur dieser Temperaturen von mehr als 1000"C und mehr aufweisen kann. Zu diesem Zweck befindet sich prüflingsseitig an den Wicklungen der Erreger- und Empfangsspule eine wärmedämmende Schutzkeramik 6 von beispielsweise ca. 0,5 mm Dicke.
• Vorzugsweise kann die Schutzkeramik Aluminiumoxid sein. Dadurch ist sichergestellt, daß die Temperatur wandlerseitig nicht über 150"C steigt, wenngleich im Extremfall die Prüflingstemperatur auf 1300"C steigen kann. Der für die Spulen 3 und 5 benutzte isolierte Draht kann zum Beispiel Kupferdraht sein, der bis ca. 200"C dauerbelastbar ist.
• Wandlerseitig sind die Spulen mit einer wärmeleitenden Keramikschicht 7 versehen, um über diese eine Wärmeableitung also Kühlung herbeizuführen. Gegebenenfalls kann die wandlerseitige Fläche der Wicklungen auch von einer Kühlflüssigkeit umspült werden.
• Um eine optimale Materialfehler- und Maßhaltigkeitüberprüfung vornehmen zu können, ist es erforderlich, daß im Prüfling 2 Longitudinalwellen angeregt werden.
• Zu diesem Zweck ist ein möglichst starkes Magnetfeld 25 parallel zur Prüflingsoberfläche zu erzeugen. Im Bereich der Wirbelströme sind lediglich horizontale Komponenten erwünscht. Vertikale Komponenten regen Transversalwellen an, die aber in heißen Prüflingen keine Ausbreitungsbedingungen vorfinden und bei kalten para- und diamagnetischen Werkstoffen zu störenden Echos führen. Um daher ein magnetisches Feld zu erzeugen, das in etwa der Darstellung von F i g. 3 entspricht, ist es besonders vorteilhaft, wenn der innere Polschuh die konische Form aufweist, wobei die Breite von den Gegebenheiten, die zum Beispiel durch die Erreger- und Empfangsspule und den Keramikschichten aufgezeigt werden, abhängig ist. Um ein vom Abstand des Prüflings unabhängiges, symmetrisches Magnetfeld zu bekommen, ist es besonders günstig, wenn die Größe der parallel zum Prüfstück 2 befindliche Fläche 9 des inneren Polschuhs 8 in etwa gleich der Größe der entsprechenden Fläche 10 des äußeren von dem abgewinkelten Randbereich bestimmten Polschuhs 11 ist. Vorteilhaft ist es ferner, wenn das freie Ende des abgewinkelten Randbereichs des äußeren Polschuhs 11 gegenüber der Stirnfläche des inneren Polschuhs um mindestens einen Winkel von a = 25° geneigt ist.
• Positiv auf die Ausbildung des Magnetfeldes wirkt sich auch folgende Geometrie des äußeren Polschuhs 8 aus. So setzt sich die Innenfläche des abgewinkelten Randbereichs vorzugsweise aus drei Abschnitten 3, 34, 12 zusammen, von denen der äußere Abschnitt 12 eine Neigung gegenüber seiner Stirnfläche 10 aufweist, die der Neigung der konischen Verjüngung 35 des inneren Polschuhs 8 gegenüber seiner Stirnfläche 9 entspricht.
• Auch dadurch, daß zwischen den einzelnen Abschnitten keine scharfen Kanten ausgebildet sind, werden Feldstärkenverluste vermieden.
• Um weitgehend auszuschließen, daß in den Polschuhen 8 und 11 aufgrund des Zusammenwirkens von Magnetfeld und den in den Spulen 3 und 5 fließenden Strömen Wirbelströme erzeugt werden, die zu Ultraschallimpulsen in den Polschuhen führen, und durch Mehrfachreflexion als Störrauschen auftreten und damit zu einer Verringerung der Meßempfindlichkeit führen würden, ist erfindungsgemäß der innere Polschuh 8 aus gegeneinander isolierten Blechen aufgebaut.
• Damit die Polschuhe auch bei Überprüfung von Materialien hoher Temperatur stets eine Temperatur unterhalb des Curie-Punktes aufweisen, erfolgt eine Kühlung. So kann zum Beispiel der Polschuh 11 einen von einem Kühlmittel durchflossenen Kühler 14 aus nicht ferritischem Material aufweisen. Der Polschuh 8 kann einen Kühlkanal 26 umfassen, durch den ein Kühlmittel geführt wird, welches an der wärmeleitenden Keramikschicht 7 und der Magnetfelderregerwicklung 22 zu deren Kühlung vorbeigeführt ist Das Kühlmittel selbst kann in einem geschlossenen oder offenen Kreislauf 27 durch den elektrodynamischen Wandlerkopf 1 geführt werden.
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Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Elektrodynamischer Wandlerkopf zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels Ultraschall, insbesondere zur Prüfung von para- und diamagnetischen metallischen Werkstoffen sowie von ferromagnetischen Werkstoffen oberhalb deren Curie-Punkte auf Materialfehler und Maßhaltigkeit, mit einem Elektromagneten, der ein Magnetjoch mit einem äußeren Polschuh und einem von diesem umgebenen in Richtung zum Werkstück konisch verjüngten inneren Polschuh sowie eine Erreger-und eine Empfängerspule aufweist, d a d u r c h g e k e n n z ei c h n e t, daß das sich konisch verjüngende Ende des inneren Polschuhs (8) aus gegeneinander isolierten, in Längsrichtung des Polschuhs sich erstreckenden Blechen aufgebaut ist.
2. 2. Elektrodynamischer Wandlerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den inneren Polschuh (8) konzentrisch umgebende äußere Polschuh (11) hohlzylinderförmig mit in Richtung des inneren Polschuhs abgewinkeltem Randbereich ausgebildet ist, der gegenüber der Stirnfläche (9) des inneren Polschuhs (8) um zumindest einen Winkel von a = 25° geneigt ist.
3. 3. Elektrodynamischer Wandlerkopf nach Anspruch 1 und/oder Anspruch2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (9, 10) des inneren und des äußeren Polschuhs (8, 11) zueinander fluchtend angeordnet sind und gleiche Größe aufweisen.
4. 4. Elektrodynamischer Wandlerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des abgewinkelten Randbereichs der äußeren Polschuhs (11) jeweils vorzugsweise aus drei Abschnitten (13, 34, 12) zusammengesetzt ist, von denen der äußere Abschnitt (12) eine Neigung gegenüber seiner Stirnfläche (10) aufweist, die der Neigung der konischen Verjüngung (35) des inneren Polschuhs (8) gegenüber seiner Stirnfläche (9) entspricht.

   Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrodynamischen Wandlerkopf zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels Ultraschall, insbesondere zur Prüfung von para- und diamagnetischen metallischen Werkstoffen sowie von ferromagnetischen Werkstoffen oberhalb deren Curie-Punkte aus Materialfehler und Maßhaltigkeit, mit einem Elektromagneten, der ein Magnetjoch mit einem äußeren Polschuh und einem von diesem umgebenen in Richtung zum Werkstück konisch verjüngten inneren Polschuh sowie eine Erreger- und eine Empfängerspule aufweist.

   Bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels Ultraschall haben sich piezoelektrische Schwinger bewährt, wobei die von diesen ausgehenden Ultraschallwellen mittels eines Ankopplungsmediums wie zum Beispiel Wasser in das Werkstück eingeleitet werden.

   Die Einsatzmöglichkeit solcher piezoelektrischer Schwinger findet jedoch dort seine Grenzen, wo das Ankopplungmedium zum Beispiel schnellen und großen Temperaturschwankungen unterliegt. Mit Hilfe der elektrodynamischen Schallwandler ist eine berührungslose Werkstoffprüfung mittels Ultraschall möglich, ohne daß hinsichtlich der Meßgenauigkeit im Vergleich zu den Piezo-Schwingern geringere Anforderungen gestellt werden müßten. Die elektrodynamische Erzeugung von Ultraschall in elektrisch leitfähigen Medien beruht auf der Wechselwirkung von Wirbelströmen mit statischen Magnetfeldern, wodurch eine Teilchenbewegung im Werkstück, also die Ultraschallwellen erzeugt werden. Dabei wird das erforderliche Magnetfeld vorzugsweise durch einen Elektromagneten über eine gewünschte Polschuhkonfiguration erzeugt. Durch in den Drähten der Erregerspule geführte Hochfrequenz-Ströme werden dann Wirbelströme in dem Werkstück erzeugt, deren Eindringtiefe von der verwendeten Frequenz abhängig ist.

   Elektrodynamische Schallwandler sind zum Beispiel in der GB-PS 2006433 oder DE-PS 26 21 684 beschrieben. Insbesondere die zuletzt genannte Literaturstelle beschäftigt sich mit der speziellen Polschuhkonfiguration, um eine gute Signalauswertung der von der Empfängerspule erfaßten Impulse zu ermöglichen.

   Dazu wird vorgeschlagen, einen Magnetkern eines Elektromagneten derart auszubilden, daß dieser sich zur Werkstückoberfläche hin kontinuierlich verjüngt. Durch diese Ausbildung ist jedoch nicht sichergestellt, daß eine von dem zu überprüfenden Werkstück erfolgte Rückkopplung und die damit bedingte Erzeugung von Wirbelströmen in dem Magnetkern derart unterbunden wird, daß eine Meßsignalauflösung erfolgen kann, die auch die Erfassung kleinster Werkstückfehler ermöglicht. In der Literaturstelle Materials Evaluation, April 1976, Seiten 81 bis 90, ist ein elektrodynamischer Wandler abgebildet, der einen Elektromagneten mit einem M-förmig ausgebildeten Magnetjoch umfaßt, dessen innerer Polschuh konisch verjüngt ausgebildet ist. Durch die konische Verjüngung wird der Vorteil erzielt, daß eine Verstärkung des Magnetfelds, also eine Induktionserhöhung in dem dem zu überprüfenden Werkstück zugewandten Polschuhabschnitt erreicht wird, ohne daß dadurch ausgeschaltet werden kann, daß im inneren Polschuh Ultraschallsignale bedingt durch eine Rückkopplung von dem zu überprüfenden Werkstück und der damit verbundenen Wirbelstrombildung unterdrückt werden.

   Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrodynamischen Wandler der eingangs genannten Gattung derart auszubilden, daß eine Wirbelstromausbildung in den Polschuhen unterbleibt, so daß auch zum Beispiel kleinste Werkstückfehler detektiert werden können.

   Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das sich konisch verjüngende Ende des inneren Polschuhs aus gegeneinander isolierten, in Längsrichtung des Polschuhs sich erstreckenden Blechen aufgebaut ist. Dadurch ist sichergestellt, daß in dem Polschuh selbst keine Wirbelströme und damit Ultraschallwellen erzeugt werden, so daß die Meßsignale nicht unerwünschten, vom Elektromagneten stammenden Einflüssen ausgesetzt sind, ohne daß man auf den durch die Verjüngung des Polschuhs erzielten Vorteil der Magnetfeldverstärkung verzichten muß.

   Nach einer hervorzuhebenden Ausgestaltung der Erfindung ist der den inneren Polschuh konzentrisch umgebende äußere Polschuh hohlzylinderförmig mit in Richtung des inneren Polschuhs abgewinkeltem Randbereich ausgebildet und gegenüber der Stirnfläche des inneren Polschuhs um mindestens einen Winkel von os = 25° geneigt. Dadurch wird eine negative Beeinflussung der Meßwerte durch den Elektromagneten noch weiter reduziert.