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"Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien
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Werkstoffprüfung" Zusatz zu P 32 07 569.3 Die Erfindung richtet sich
auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach
dem Oberbegriff von Anspruch 4.
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An sich ist die Verwendung von Wirbelströmen und die Heranziehung
von mit deren Hilfe gewonnener Impedanz werte zur Werkstoffprüfung und -erkennung
seit Jahren bekannt. Dabei sind grundsätzlich zwei Vorgehensweisen in Betracht zu
ziehen, nämlich zum einen das Aufsetzen eines eine Sende- und Empfangsspule enthaltenden
Prüfkopfes auf ein ruhendes Werkstück, und zum anderen die Untersuchung von Materialdiskontinuitäten,
wie Risse, Schweißnähte, Einschlüsse u. dgl. längs langgestreckter Werkstücke, wobei
die Meßeinrichtung relativ zum zu untersuchenden Werkstück bewegt wird. Dies kann
entweder so geschehen, daß die Meßeinrichtung längs eines Rohrsystems
entlanggefahren
wird, oder aber die Meßeinrichtung ruht und ein hergestellter Draht, ein Rohr u.
dgl.
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an der Meßeinrichtung vorbeigeführt werden.
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Diese letztgenannte Art des Einsatzes von Wirbelstromuntersuchungen
war schwerpunktmäßig der Gegenstand technischer Entwicklungen und praktischer Anwendungen,
da es hierbei genügt, Relativänderungen von Meßwerten festzustellen, welche bestimmten
Materialdiskontinuitäten entsprechen. Ein grundlegendes Problem bei der praktischen
Realisierung von Wirbelstromuntersuchungen besteht nämlich darin, daß die theoretischen
Zusammenhänge äußerst schwer zu erfassen und grundsätzlich nur einer annäherungsweisen
Berechnung zugänglich sind. Die Korrektheit solcher theoretischer Annäherungen hängt
aber wesentlich von den vorgegebenen Randbedingungen ab, welche wiederum in der
Praxis kaum einmal den theoretisch zugrundegelegten entsprechen.
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Da zudem das Meßergebnis durch eine Mehrzahl voneinander unabhängiger
Parameter bestimmt wird, ist es schwer, eine bestimmte Messung zu normieren. Um
eine gewisse Normierung zu erzielen, ist es aus der DE-OS 29 13 877 bekannt, Messungen
gleichzeitig mit unterschiedlichen Frequenzen durchzuführen, wobei die Frequenzen
einem solchen Frequenzbereich entnommen sind, daß für die Frequenzabhängigkeit näherungsmäßig
ein theoretischer Ansatz vorgegeben werden kann und dementsprechend ein Gleichungssystem
zur Bestimmung und Eliminierung bestimmter Parameter erhalten wird.
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Ausgehend von derdargelegten Problematik bei Wirbelstromuntersuchungen
einerseits und den grundlegenden Vorteilen, insbesondere einer zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung andererseits, geht der erfindungsgemäße Grundgedanke dahin, bei
der
Untersuchung einzelner ruhender Werkstücke gerade die charakteristische Frequenzabhängigkeit
der Impedanzwerte, welche sich theoretisch in für die Praxis geeigneter Weise nur
schwer wiedergeben läßt, bewußt auszunutzen zur Erkennung der Materialzusammensetzung,
Gefügestruktur usw.
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Von Förster, Zeitschrift Metallkunde 45, 1954, Seite 166, ist es grundsätzlich
bekannt, daß die Impedanzwerte eines untersuchten Probestücks in der komplexen Ebene
in Abhängigkeit von der Frequenz einen asymmetrischen, bogenartigen Verlauf zeigen.
Untersuchungen des Anmelders haben diesen Verlauf bei ganz unterschiedlichen Werkstoffen
bzw. Gefügen grundsätzlich bestätigt. Darüber hinaus wurde abergefunden, daß ungeachtet
des groben Verlaufs dieser Kurven der exakte Kurvenverlauf wie eine Art Daumenabdruck
äußerst charakteristisch ist für z.B. eine bestimmte Legierung oder einen bestimmten
Austenit-Gehalt eines Stahls.
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Hierauf aufbauend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zu schaffen, welche den Erfordernissen der Praxis gerecht werdend
eine schnelle, eine zuverlässige Unterscheidung gestattende Untersuchung von Werk-
bzw. Probestücken erlauben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1. Gemäß diesem Verfahren wird also bewußt auf die Einbeziehung
theoretischer Näherungen verzichtet und vielmehr auf den heuristischen Vergleich
abgestellt. Diese Vorgehensweise trägt dem Umstand Rechnung, daß in der ganz überwiegenden
Anzahl der praktischen Anwendungsfälle das zu untersuchende Material als solches
ebenso wie zu erwartende Abweichungen bekannt sind.
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Es kann deshalb auf die im Hinblick auf die geschilderten Schwierigkeiten
schwierige Erfassung von Absolutwerten verzichtet werden und stattdessen äußerst
schnell ein Vergleich mit vorgegebenen Abweichungen bzw. in Betracht kommenden bekannten
Materialien vorgenommen werden. Als Vergleichs-Charakteristikum dient dabei die
Kurve der Impedanzwerte in der imaginären Ebene in Abhängigkeit von der Frequenz.
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Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch
2 durchgeführt. Hiernach ist der unmittelbare Vergleich auf eine Ausgabeeinrichtung,
also einem Bildschirm oder dem Bild eines Druckers, von gespeicherten Kurvenverläufen
von Werkstücken bekannter Zusammensetzung oder bekannten Aufbaus mit einem unbekannten
Werkstück möglich. Dabei können z.B. die Kurvenverläufe mehrerer vorbekannter Werkstücke
in ihrer Gesamtheit mittels der Ausgabeeinrichtung veranschaulicht werden, und zwar
zusammen mit dem Kurvenverlauf eines gerade untersuchten Werkstücks, so daß in schneller
und einfacher Weise eine Entscheidung möglich ist, welchem vorbekannten Kurvenverlauf
derjenige des untersuchten Werkstücks entspricht und somit das untersuchte Werkstück
in Zusammensetzung bzw. Gefüge einem vorbekannten Werkstück zugeordnet werden kann.
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Die in Weiterbildung der Erfindung vorgesehene Ausgestaltung nach
Anspruch 3 trägt der Tatsache Rechnung, daß bei Untersuchungen zahlreicher unterschiedlicher
Proben festgestellt wurde, daß die zugehörigen Kurvenverläufe sich in bestimmten
Frequenzbereichen weitgehend decken, während in anderen Frequenzbereichen charakteristische
Abweichungen auftreten. Erfindungsgemäß können nun je nach einer speziellen Aufgabçnstellung
derartige Frequenzen oder Frequenzbereiche nicht nur sofort erkannt, sondern auch
systematisch
zur Erkennung und Unterscheidung herangezogen werden.
Hierzu dienen die einstellbaren Toleranzfelder, welche je nach der Verteilung der
Meßpunkte bei einer bestimmten Frequenz die Vorgabe ermöglichen, ob von einer heranzuziehenden
Rechen- und Auswertungseinrichtung ein bestimmter Meßwert als die Vorgabe erfüllendangezeigt
oder als außerhalb der Toleranzgrenze liegend und damit von der vorgegebenen Zusammensetzung
und dem vorgegebenen Gefüge abweichend ausgegeben wird.
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Eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 4 dient insbesondere
zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3. Die Einrichtung zur
selbsttätig während eines Meßzyklus durchlaufenden Einstellung diskreter Frequenzwerte
der Sendespule gestattet es, die Messung nicht nur für die Bedienungsperson bequem
handhabbar zu machen, sondern erlaubt darüber hinaus eine äußerst schnelle Messung,
was ein wichtiges Kriterium für die praktische Einsetzbarkeit einer derartigen Vorrichtung
ist.
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Die gemäß Anspruch 5 vorgesehene Langzeit-Speichereinrichtung gestattet
über die Speicherung der frequenzabhängigen Meßwerte des gerade untersuchten Werkstücks
hinaus die Speicherung der Meßkurven mehrerer bekannter Werkstücke, um so den unmittelbaren
Vergleich und die Zuordnung von Meßkurven zu ermöglichen. Hierbei kommt ein ganz
wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Tragen, daß nämlich die
Eliminierung gerätespezifischer Parameter nicht erforderlich ist, weil das Ausmessen
und Abspeichern der Vergleichskurven mit dem gleichen Gerät erfolgen kann, so daß
Abweichungen der Meßkurven im wesentlichen nur auf Abweichungen in den Materialeigenschaften
zurückzuführen sind. Demgegenüber war bei vorbekannten Geräten gerade die mangelnde
Vergleichbarkeit unterschiedlicher Meßkurven ein so gravierendes Problem, daß eine
praktische Ausnutzung der Frequenzabhängigkeit
der Impedanzmeßpunkte
zur Erkennung von Materialeigenschaften nicht erfolgt ist.
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Die gemäß Anspruch 6 vorgesehene Ausgabeeinrichtung ermöglicht die
Darstellung ganzer Kurvenverläufe und dementsprechend eine besonders schnelle Beurteilung.
Soweit diese Ausgabeeinrichtung als Bildschirm ausgebildet wird, kann dieser Bildschirm
mit einer sogenannten elektronischen Lupe versehen werden, d.h. es ist möglich,
Meßpunkte eines bestimmten Frequenzwerts oder eines bestimmten Frequenzbereichs
vergrößert darzustellen, wenn sich diese als Kriterium für die spezielle zu treffende
Unterscheidung besondersgeeignet zeigen.
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Der nach Anspruch 7 vorgesehene Grafik-Prozessor gestattet die Aufstellung
ganz individueller Auswahlkriterien für Meßpunkte bei einer bestimmten, charakteristischen
Frequenz.
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Ein derartiger Baustein, der eine Zuordnung von Bildpunkten und Speicherplätzen
schafft, ermöglicht es mit Hilfe des Bildschirms und zugeordneter Steuereinrichtungen
auf dem Bildschirm, um bestimmte Meßpunkte oder Meßpunktgruppen auch unregelmäßig
geformte Toleranzfelder zu legen, um auf diese Weise für die nachgeordnete Rechnereinrichtung
Auswahlkriterien zu schaffen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der
Zeichnung. Dabei zeigen: Fig. 1 die Lage von Impedanzmeßpunkten in der imaginären
Ebene in Abhängigkeit von der Frequenz für verschiedene bekannte und untersuchte
Werkstücke; Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Darstellung nach Fig. 1, und
Fig.
3 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In Fig. 1 ist die durch den Realteil und Imaginärteil der Impedanz
des untersuchten Werkstücks aufgespannte Ebene dargestellt. In diese Ebene sind
Impedanzmeßpunkte eingetragen, welche jeweils Endpunkte eines durch seinen Betrag
und den Phasenwinkel 9 charakterisierten Impedanzvektors V darstellen, Die unterschiedlichen
Meßpunkte mit gleichem Symbol entsprechen unterschiedlichen, diskreten Frequenzwerten.
Man erkennt, daß die Kurve der Meßpunkte der Impedanz in der imaginären Ebene in
Abhängigkeit von der Meßfrequenz einen asymmetrischen, bogenförmigen Verlauf aufweist.
Der Verlauf dieser Kurven ist charakteristisch für die Zusammensetzung bzw. das
Gefüge des untersuchten Materials Zur Vereinfachung der Erläuterung des erfindungsgemäßen
Vorgehens wird im Folgenden davon ausgegangen, daß die Problemstellung darin liegt,
eine Unterscheidung zwischen zwei moglichen, vorbekannten Zusammensetzungen eines
Werkstücks zu treffen.
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Zu diesem Zweck werden die beiden bekannten Werkstückproben mit Hilfe
der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermessen, indem die einzelnen Meßfrequenzen selbsttätig
innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs durchlaufen und die gemessenen Impedanzwerte
ausgewertet, gespeichert und angezeigt werden.
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Nachdem optisch erkannt wurde, daß die Vermessung der Proben einwandfrei
verlaufen ist, werden die Meßwerte in einem Langzeitspeicher abgelegt. Auf diese
Weise werden zwei für die jeweilige Werkstückzusammensetzung charakteristische Kurvenverläufe,
dargestellt durch "Kreuz" bzw. Kreis, erhalten.
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Hieran anschließend können nun Proben unbekannter Zusammensetzung
vermessen und durch Vergleich der ermittelten Kurvenverläufe einer der vorbekannten
Proben und damit einer entsprechenden Zusammensetzung zugeordnet werden. Wie Fig.
1 zeigt, können die Meßpunkte "Quadrat" dem Kurvenverlauf "Kreuz" und die Meßpunkte
"Dreieck" dem Kurvenverlauf "Kreis" zugeordnet werden. Man erkennt, daß die Zuordnung
besonders eindeutig bei der Frequenz 6 innerhalb des Bereichs f0 bis f8 der benutzten
Frequenzen erfolgen kann.
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In Fig. 2 ist der Bereich der imaginären Ebene für die Meßwerte der
Impedanz bei der Frequenz f6 vergrößert herausgezeichnet. Dabei wurden weitere punktförmig
dargestellte Meßpunkte eingetragen. Diese Meßpunkte stammen von Proben bekannter
Zusammensetzung entsprechend den Proben mit den Meßwerten Dreieck" und "Kreis".
Man erkennt, daß eine Streuung der Meßpunkte in einem sichelförmigen Bereich auftritt.
Um hier nun eine besonders schnelle und treffsichere Entscheidung hinsichtlich der
Zuordnung eines Meßpunkts bei der Frequenz f6 zu einer vorbekannten Probe bzw. Zusammensetzung
treffen zu können, ist ein unregelmäßig geformtes Toleranzfeld vorgesehen, welches
entsprechend der Bildschirmdarstellung einer Vielzahl von Meßpunkten bekannter Proben
eingegeben werden kann. Ein derartiges, z.B. C-förmiges Toleranzfeld ermöglicht
es, Meßpunkte mit einem relativ großen Abstand zum Vorgabemeßpunkt in Richtung des
Imaginärteils noch als innerhalb des Toleranzbereichs liegend zu beurteilen, während
andererseits Meßpunkte mit verhältnismäßig geringem Abstand zum Vorgabemeßpunkt
in Richtung des Realteils als außerhalb der Vorgabe liegend erkannt werden können,
so daß z.B. automatisch eine entsprechende Anzeige ausgelöst werden kann.
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In Fig.3 ist ein schematisiertes Blockschaltbild dargestellt. Eine
Sendespule 1 dient zur Erzeugung eines Wirbelstroms 2 in einem Werkstück 3, wobei
eine Empfangsspule 4 dazu dient, eine Meßspannung 5, welche gegenüber der Sendespannung
6 eine Amplituden- und Phasendifferenz aufweisen kann, zu empfangen.
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Zur Erzeugung der Sende-Wechselspannung 6 dient ein Leistungsverstärker
7 zusammen mit einem Rechteck-Sinus-Wandler 8 und einem Quarz-Oszillator mit Teiler
9. Diese Einrichtung ist über den Bus lo mit den Steuer- und Speichereinrichtungen
verbunden und dient dementsprechend auch als Einrichtung zur selbsttätig während
eines Meßzyklus durchlaufenen Einstellung diskreter Werte von Frequenzen der Sendespule
1.
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Der Empfangsspule 4 nachgeschaltet ist ein phasengesteuerter Gleichrichter
11 zur Bildung der Komponenten der Meßspannung 5 (bei einer gemessenen Spannung
U sin S und U cos Q ). Der phasengesteuerte Gleichrichter 11 ist mit dem Quarz-Oszillator
und Teiler 9 gekoppelt. Dem phasengesteuerten Gleichrichter 11 nachgeschaltet ist
ein A/D Wandler 12, welcher wiederum mit dem Bus lo verbunden ist. Am Bus angeschlossen
ist ein Mikroprozessor 13, ein Programmspeicher 14 und ein Datenspeicher 15. Der
phasengesteuerte Gleichrichter 11 und der A/D Wandler 12 bilden zusammen mit dem
Mikroprozessor 13 und dem Programmspeicher 14 ebenso wie dem Datenspeicher 15 eine
Einrichtung zur Speicherung und Verarbeitung der gemessenen vektoriellen Impedanzwerte.
Zusätzlich zu dem Datenspeicher 15 ist eine externe Langzeitspeichereinrichtung
16 in Form eines Bandspeichers vorgesehen, welche über eine Universalschnittstelle
17 angekoppelt ist. An der Universalschnittstelle 17
sind auch
die Ausgabeeinrichtungen 18 und 19 in Form eines Druckers und eines Bildschirms
angeschlossen.
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Dem Bildschirm ist gleichzeitig noch eine Eingabetastatur zugeordnet.
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Mit den Ausgabeeinrichtungen 18 und 19 einerseits und dem Bus lo andererseits
gekoppelt ist ein Grafikprozessor 20.
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Dieser ermöglicht die Erstellung nahezu beliebig geformter Toleranzfelder,
indem er eine logische Verbindung zwischen Bildpunkten und deren grafischer Verbindung
und Speicherplätzen herstellt.
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