DE3050487C1

DE3050487C1 - Electrodynamic converter head

Info

Publication number: DE3050487C1
Application number: DE19803050487
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. 6470 Büdingen Abend; Wolfgang Dr. 4100 Duisburg Böttger; Gerhard 8752 Laufach Hüschelrath; Karl 6300 Gießen Laudenbach; Heinz Dr. 4000 Düsseldorf Schneider
Original assignee: Nukem GmbH; Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH; Nukem GmbH
Priority date: 1980-07-31
Filing date: 1980-07-31
Publication date: 1983-09-15

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. In order to have the strongest possible magnetic field parallel to the workpiece and to produce centrally to the air gap, it is also proposed that the end faces of the inner and outer pole pieces or approximately in alignment with one another are arranged and have the same or approximately the same size.

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. A pole shoe configuration has proven to be particularly advantageous, in the case of the conical free end of the inner pole piece, the inner surface of the inclined ends of the legs of the outer pole piece each preferably from is composed of three sections, of which the outer section has an angle of inclination has opposite its end face that of the inclination of the conical taper corresponds to the inner pole piece with respect to its end face.

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. Further details, advantages and features of the invention result from the embodiment shown in the drawing. It shows F i g. 1 shows a longitudinal section of an electrodynamic transducer head according to the invention, F i g. 2 shows a section of the electrodynamic transducer head according to FIG. 1 in enlarged Representation and fig. 3 magnetic field lines emanating from the electrodynamic transducer head.

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. In Fig. list shows an electrodynamic converter 1 in longitudinal section, which essentially consists of an electromagnet with excitation winding 22, an eddy current excitation coil 5 and an eddy current receiving coil 3 consists. The electromagnet has in the exemplary embodiment in section an M-shaped magnetic yoke, which consists of an outer pole piece 11 and an inner pole piece 8 is composed.

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.The outer pole piece 11 surrounds the inner pole piece 8 concentrically and has an edge region angled in the direction thereof, which is shown in the illustration is illustrated by two legs. Furthermore, the inner pole piece tapers 8 towards its free end.

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.The excitation and receiving coils 5 and 3 are concentric in the air gap arranged between the inner and outer pole pieces 8, 11. The coils are opposite a test object 2 arranged in a heat-protected manner, since only this temperature is higher than 1000 "C and more. For this purpose, the device under test is located a heat-insulating protective ceramic on the windings of the exciter and receiver coils 6 of, for example, about 0.5 mm thick.

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.The protective ceramic can preferably be aluminum oxide. This is ensures that the temperature on the transducer side does not rise above 150 "C, albeit in extreme cases, the test object temperature can rise to 1300 "C. That for the coils 3 and 5 used insulated wire can be, for example, copper wire, which is up to approx. 200 "C can be permanently loaded.

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. On the transducer side, the coils have a thermally conductive ceramic layer 7 provided in order to dissipate heat via this so to bring about cooling. Possibly the transducer-side surface of the windings can also be washed by a coolant will.

Um eine optimale Materialfehler- und Maßhaltigkeitüberprüfung vornehmen zu können, ist es erforderlich, daß im Prüfling 2 Longitudinalwellen angeregt werden. In order to carry out an optimal inspection of material defects and dimensional accuracy To be able to do this, it is necessary that 2 longitudinal waves are excited in the test object.

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.For this purpose, the strongest possible magnetic field 25 is parallel to To generate test object surface. In the area of the eddy currents there are only horizontal ones Components desired. Vertical components excite transverse waves, but they do there are no propagation conditions in hot test objects and in cold para- and diamagnetic materials lead to disruptive echoes. To be a magnetic one Generate field that is roughly the representation of FIG. 3, it is special advantageous if the inner pole piece has the conical shape, the width of the circumstances caused, for example, by the excitation and receiving coil and the ceramic layers are shown, is dependent. To one from the distance of the test object To get an independent, symmetrical magnetic field, it is especially beneficial when the size of the surface 9 of the inner pole piece located parallel to the test piece 2 8 approximately equal to the size of the corresponding surface 10 of the outer of the angled Edge area certain pole piece 11 is. It is also advantageous if the free End of the angled edge region of the outer pole piece 11 opposite the end face of the inner pole piece is inclined by at least an angle of a = 25 °.

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. The following also has a positive effect on the formation of the magnetic field Geometry of the outer pole piece 8. So the inner surface of the angled continues Edge area preferably composed of three sections 3, 34, 12, of which the outer portion 12 has an inclination with respect to its end face 10, which the Inclination of the conical taper 35 of the inner pole piece 8 with respect to its end face 9 corresponds.

Auch dadurch, daß zwischen den einzelnen Abschnitten keine scharfen Kanten ausgebildet sind, werden Feldstärkenverluste vermieden.Also because there are no sharp points between the individual sections Edges are formed, field strength losses are avoided.

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. In order to largely rule out that in the pole pieces 8 and 11 due the interaction of the magnetic field and the currents flowing in the coils 3 and 5 Eddy currents are generated, which lead to ultrasonic pulses in the pole pieces, and occur as interference noise due to multiple reflections and thus lead to a reduction would lead to the measurement sensitivity, is the inner pole piece 8 according to the invention made of mutually insulated metal sheets.

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. So that the pole shoes are also used when checking materials with high temperatures always have a temperature below the Curie point, cooling takes place. For example, the pole piece 11 can be a cooler through which a coolant flows 14 made of non-ferritic material. The pole piece 8 can have a cooling channel 26 include, through which a coolant is passed, which at the heat conductive Ceramic layer 7 and the magnetic field exciter winding 22 passed for their cooling The coolant itself can be in a closed or open circuit 27 be passed through the electrodynamic transducer head 1.

- L e e r s e i t e - - Leerseite -- L e r s e i t e - - blank page -

Claims

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. Claims: 1. Electrodynamic transducer head for non-destructive Material testing by means of ultrasound, in particular for testing para- and diamagnetic metallic materials as well as ferromagnetic materials above them Curie points on material defects and dimensional accuracy, with an electromagnet that a magnetic yoke with an outer pole piece and one surrounded by this in the direction Inner pole piece tapered towards the workpiece as well as an excitation and a receiver coil shows that the conically tapering End of the inner pole piece (8) from mutually insulated, in the longitudinal direction of the Pole shoe extending metal sheets is constructed.

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. 2. Electrodynamic transducer head according to claim 1, characterized in that that the outer pole piece (11) concentrically surrounding the inner pole piece (8) is shaped as a hollow cylinder is formed with an edge area angled in the direction of the inner pole piece, the opposite of the end face (9) of the inner pole piece (8) by at least an angle is inclined from a = 25 °.

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. 3. Electrodynamic transducer head according to claim 1 and / or claim 2, characterized in that the end faces (9, 10) of the inner and outer Pole shoes (8, 11) are arranged in alignment with one another and are of the same size.

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. 4. Electrodynamic transducer head according to claim 1, characterized in that that the inner surface of the angled edge region of the outer pole piece (11), respectively is preferably composed of three sections (13, 34, 12), of which the outer portion (12) has an inclination with respect to its end face (10), which the inclination of the conical taper (35) of the inner pole piece (8) with respect to its Front face (9) corresponds.

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. The invention relates to an electrodynamic transducer head for non-destructive material testing using ultrasound, especially for testing of para- and diamagnetic metallic materials as well as of ferromagnetic Materials above their Curie points from material defects and dimensional accuracy, with an electromagnet that has a magnetic yoke with an outer pole piece and one of This surrounded inner pole piece, which is tapered conically towards the workpiece, as well has an excitation coil and a receiver coil.

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. In the non-destructive testing of materials using ultrasound Piezoelectric transducers have proven themselves, with the ultrasonic waves emanating from them introduced into the workpiece by means of a coupling medium such as water will.

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.Such piezoelectric oscillators can be used however, its limits are where the coupling medium is fast and large, for example Subject to temperature fluctuations. With the help of the electrodynamic sound transducer a non-contact material testing by means of ultrasound is possible without any regard the measuring accuracy compared to the piezo transducers lower requirements would have to be asked. The electrodynamic generation of ultrasound in electrical conductive media is based on the interaction of eddy currents with static Magnetic fields, causing particle movement in the workpiece, i.e. the ultrasonic waves be generated. The required magnetic field is preferably through a Generated electromagnet via a desired pole piece configuration. Through in the Wires of the excitation coil conducted high-frequency currents are then eddy currents in generated on the workpiece, the depth of which depends on the frequency used is.

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. Electrodynamic sound transducers are for example in GB-PS 2006433 or DE-PS 26 21 684 described. In particular the last-mentioned reference deals with the special pole piece configuration to ensure good signal evaluation to enable the pulses detected by the receiver coil.

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.For this purpose, it is proposed to use a magnetic core of an electromagnet in this way train that this tapers continuously towards the workpiece surface. However, this training does not ensure that one of the to be checked Workpiece there was feedback and the associated generation of eddy currents is prevented in the magnetic core in such a way that a measurement signal resolution takes place that enables the detection of even the smallest workpiece defects. In the reference Materials Evaluation, April 1976, pages 81 to 90, is an electrodynamic transducer shown, the an electromagnet with an M-shaped magnetic yoke includes, the inner pole piece is tapered conically. Due to the conical The advantage of tapering is that the magnetic field is strengthened, ie an induction increase in the pole piece section facing the workpiece to be checked is achieved without being able to be switched off that in the inner pole piece Ultrasonic signals caused by feedback from the workpiece to be checked and the associated formation of eddy currents can be suppressed.

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. The object of the present invention is to provide an electrodynamic To train transducers of the type mentioned in such a way that an eddy current formation is omitted in the pole pieces, so that even the smallest workpiece defects, for example can be detected.

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. The object is achieved according to the invention in that it is conical tapered end of the inner pole piece made of mutually isolated, longitudinally of the pole piece extending metal sheets is constructed. This ensures that no eddy currents and thus ultrasonic waves are generated in the pole piece itself so that the measurement signals are not unwanted originating from the electromagnet Influences are exposed without being affected by the tapering of the pole piece achieved advantage of the magnetic field reinforcement must do without.

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. According to an embodiment of the invention to be emphasized is the inner pole piece concentrically surrounding outer pole piece in the shape of a hollow cylinder with in Direction of the inner pole piece angled edge area formed and opposite the end face of the inner pole piece inclined by at least an angle of os = 25 °. This has a negative influence on the measured values by the electromagnet reduced even further.