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Anordnung zum Prüfen eines ferromagnetischen Rohres auf
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Fehler Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Prüfen eines ferromagnetischen
Rohres auf Fehler, mit einem Magnetjoch zum Magnetisieren eines sich entlang einer
Mantellinie des Rohres erstreckenden Bereiches durch einen im wesentlichen parallel
zur Mantellinie ausgerichteten Magnetfluß, bestehend aus einem Kern aus ferromagnetischem
Material, dessen beide Pole auf die Oberfläche des Rohres gerichtet und auf einer
parallel zur Mantellinie verlaufenden Linie angeordnet sind, und aus einer um den
Kern gewundenen Magnetisierungswicklung, mit einer Abtasteinrichtung zum Abtasten
des magnetisierten Bereiches durch eine oder mehrere magnetische Streuflußso-nden
und mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer schraubenförmigen relativen Bewegung
zwischen Magnetjoch und Abtasteinrichtung einerseits und dem Rohr andererseits.
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Eine derartige Anordnung ist in der Offenlegungsschrift DE 32 40
480 A1 beschrieben. Bei der der Offenlegungsschrift zu Grunde liegenden Vorrichtung
befindet sich die Abtasteinrichtung im Inneren des Rohres und tastet dort die innere
Oberfläche des magnetisierten Bereiches der Rohrwand auf von Fehlern hervorgerufenen
magnetischen Streufluß ab. Dazu gehört eine auf der Innenseiseite
des
Rohres angebrachte Abtastsonde, die für die Abtastung des von Querfehlern verursachten
Längsstreuflusses gedacht ist. Ihr steht auf der Außenseite ein die Längsmagnetisierung
bewirkendes, U-förmiges Magnetjoch genau gegenüber.
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Der Einsatz der beschriebenen Vorrichtung, die augenschei nl ich
nur für die Prüfung kurzer Rohrstücke gedacht ist, bringt Nachteile mit sich, insbesondere
wenn längere Rohre geprüft werden sollen. Die Abtastung der Innenwand eines Rohres
ist an sich schon technologisch schwierig zu lösen, weil bei engbegrenzten Querabmessungen
ggf. großer Länge des Sondenträgers eine solide und schwingungsfreie Lagerung der
Sonde am Abtastort bewerkstelligt werden muß. Dazu kommt, daß eine optische Kontrolle
von Lage und Sitz der Sonde kaum möglich ist.
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Zwangsläufig entspricht die Baulänge, die für eine auf dem beschriebenen
Prinzip beruhende Prüfanlage benötigt wird, der doppelten Länge des längsten zu
prüfenden Rohres. Das bedeutet bei längeren Rohren eine vielfach untragbare Erhöhung
der Baukosten. Bei schon vorhandenen Fertigungsstraßen kann es sein, daß diese Baulänge
für eine nachträglich zu erstellende Prüfanlage nicht zur Verfügung steht. Besonders
schwierig wird es, wenn zur Reduzierung der Prüfzeit eine eingenständige Abtastbewegung
der Abtasteinrichtung in Richtung des längsgerichteten Magnetflusses verlangt wird,
etwa durch einen schwingenden Sondenbalken oder eine rotierende Sondenscheibe. Auch
ist die Erfassung von Außenfehlern durch eine Sonde im Inneren des Rohres nur bis
zu begrenzten Wandstärkewerten möglich. In vielen Fällen wird es daher naheliegen,
sich vom Prinzip der Innenabtastung abzukehren und eine Außenabtastung durchzuführen.
Für eine solche steht jedoch nur der Raum unmittelbar zwischen den beiden Polen
des Magnetjoches zur Verfügung, der zudem vom mittleren Balken des Magnetjoches
und normalerweise auch von der Magnetisierungswicklung überdeckt ist.
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Dies bedeutet zunächst eine starke Einschränkung des verfügbaren Raumes
für die Abtasteinrichtung. Vergrößert man andererseits den Pol abstand des Magnetjoches,
so muß man eine entsprechende Vergrößerung der ungeprüften Zone am Anfang und Ende
des Rohres in Kauf nehmen. Noch schwerwiegender ist jedoch, daß im Prüfbereich nicht
nur die gewünschte Tangentialkomponente des magnetischen Längsfeldes vorhanden ist,
sondern auch eine starke Normalkomponente, die zudem kräftige Gradienten in Richtung
senkrecht zur Rohroberfläche aufweist. Die gängigen, in der Praxis eingesetzten
Streuflußsonden sprechen nicht nur auf Magnetfelder einer bestimmten Richtung, im
vorliegenden Fall der Längsrichtung an. Da man außerdem nicht vermeiden kann, daß
die Sonden beim Abtastvorgang auf Grund von Erschütterungen und Oberflächenunebenheiten
Bewegungen senkrecht zur Rohroberfläche ausführen, muß man davon ausgehen, daß die
vorhandenen kräftigen Gradienten in dieser Richtung in entsprechendem Maß als Anderungen
des Normalfeldes von den Streuflußsonden mitgemessen werden. Dies hat einen unerwünschten
Anstieg des Störpegels zur Folge, der die Prüfung stark beeinträchtigt.
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In der o.g. Offenlegungsschrift ist ferner eine Anordnung beschrieben,
bei der das Längssfeld durch zwei das Rohr umfassende Wicklungen hergestellt wird,
die in der Art einer Helmholtzschen Spule angeordnet sind. Mit einer solchen Anordnung
lassen sich einige der genannten Nachteile vermeiden. Bei fast ganz fehlender Normalkomponente
ergibt sich eine innerhalb eines großen Bereiches und über den ganzen Umfang des
Rohres homogene Tangentialkomponente des Magnetfeldes. Außerdem bietet sich der
Bereich zwischen den beiden Wicklungen offen zugänglich für die Anbringung einer
Abtasteinrichtung an. Indessen müssen die zu untersuchenden Rohre in Längsrichtung
in die Magnetisierungswicklungen eingefädelt werden, so daß auch hier eine Baulänge
gefordert werden muß, die der doppelten Rohrlänge entspricht.
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Demgegenüber stellt sich die Erfindung zur Aufgabe, eine Anordnung
der eingangs definierten Art zu schaffen, bei der Magnetisierungs- und Abtasteinrichtung
vom Rohr abgehoben werden können, so daß ein seitliches Einbringen des zu prüfenden
Rohres in die Anordnung möglich ist, bei der ferner innerhalb eines gewünschten
Bereiches ein magnetisches Längsfeld ausreichender Homogenität erzielt wird und
die Normalkomponente des Magnetfeldes vergleichbar klein bleibt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung, die gemäß Anspruch
1 gekennzeichnet ist.
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Eine solche Anordnung erlaubt es, einseitig von einer Basis außerhalb
des Rohres ausgehend die Magnetstreuflüsse von Querfehl ern dieses Rohres innerhalb
eines vorgegebenen Prüfbereiches mit guter Reproduzierbarkeit zu ermitteln. Bei
einer schraubenförmigen Relativbewegung entsprechender Steigung zwischen Rohr und
Prüfanordnung ist eine vollständige Abtastung der Rohroberfläche auf Fehler möglich.
In einem typischen Beispiel besitzt der magnetisierte Prüfbereich, in dem die Feldstärke
der Längsmagnetisierung um nicht mehr als + 10 % schwankt, eine Längsausdehung von
etwa 70 % der Strecken zwischen Nord- und Südpol der beiden Magnetjoche. Ein typischer
Wert für die in einem solchen Prüfbereich herrschende Normalkomponente des Magnetfeldes
liegt bei etwa 1/50 des Wertes, der vorläge, wenn es sich um einen Prüfbereich entsprechender
Länge unmittelbar zwischen den Polen eines einzelnen Magnetjoches handelte.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung soll im Interesse
eines besonders niedrigen Anteils der Normalkomponente des Magnetfeldes ein mindestens
30° des Rohrumfanges umfassender Winkelbereich, in dessen Mitte der durch Streuflußsonden
abzutastende magnetisierte Bereich liegt, von der Bedeckung durch gegenüberliegende
Pole freibleiben. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
sind die Magnetjoche
derart angeordnet, daß die von gegenüberliegenden
Polen bedeckten Teile der Oberfläche des Rohres ganz in eine sich symmetrisch beiderseits
des zu prüfenden magnetisierten Bereiches erstrekkende Hälfte des Rohrumfanges fallen.
Das hat zur Folge, daß sich die Magnetjoche von der Oberfläche abheben lassen, ohne
daß sie zuvor zu diesem Zweck auseinandergefahren werden müssen. Ein weiterer Vorteil
dieser Ausgestaltung besteht darin, daß sich die Homogenität des Längsfeldes verbessert,
wenn die beiden Magnetjoche näher zusammenrücken. Andere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung werden in den restlichen Unteransprüchen angegeben.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Figuren durch Beispiele
näher erläutert. Im einzelnen zeigen Figuren la und lb ein U-förmiges Magnetjoch
Figur 1c zugehörige Diagramme Figur 2a eine Anordnung mit zwei U-förmigen Magnetjochen
Figur 2b zugehörige Diagramme Figur 3 eine Prüfanordnung nach der Erfindung Figur
4 eine Abwandlung der obigen Anordnung Figur 5 ein zugehöriges Diagramm Figur 6
eine weitere Abwandlung.
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In den Figuren 1a und 1b ist ein auf ein zu prüfendes Rohr 10 aufgesetztes
Magnetjoch 12 dargestellt, das aus einem U-förmigen Kern 14 aus ferromagnetischem
Material mit Polen 16,18 und einer Magnetisierungswicklung 20 besteht. Außerhalb
des Magnetjoches 12 nehmen die Feldlinien 22 einen stark gekrümmten Verlauf auf
dem Rohr 10, so daß hier eine homogene Magnetisierung nicht möglich erscheint. Eine
homogenere Feldverteilung liegt dagegen
in einem unter dem Magnetjoch
12 befindlichen Bereich 24 beiderseits einer Mantelinie 26 vor. Nimmt man die starken
räumlichen Einschränkungen in Kauf, die für den Bereich 24 vom Magnetjoch 12 her
gegeben sind, und wählt diesen Bereich für die Abtastung durch Streuflußsonden so
muß man noch einen weiteren sehr nachteiligen Umstand in Betracht ziehen. Ein Teil
der Feldlinien 22 tritt bereits vor Erreichen der Polflächen 17,19 aus der Flanke
der Pole 16,18 aus. Dadurch ergibt sich eine Normalkomponente Hy des Magnetfeldes
H, die zu den Polen 16,18 hin kräftig ansteigt. In der Mitte des Bereiches 24 besitzt
Hy einen Nulldurchgang-. In Figur 1c sind die Normalkomponente Hy und die Längskomponente
Hz des Magnetfeldes H über der Koordinate z aufgetragen. Man kann erkennen, daß
über einen großen Teil der Länge L des Abtastbereiches 24 die störende Normalkomponente
Hy größer als die erwünschte Längskomponente Hz ist. An den Rändern des Bereiches
24 kommt die Normal komponente Hy sogar auf etwa den 5-fachen Wert der Längskomponente
Hz.
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In Figur 2a ist eine Anordnung mit zwei Magnetjochen 32 der oben
beschriebenen Art dargestellt, deren Pole 36,38 gleich ausgerichtet sind und der
Oberfläche des Rohres 10 an Orten gegenüberstehen, die sich diametral gegenüberliegen.
Die Magnetjoche 32 besitzen wie Magnetjoch 12 einen U-förmigen Kern 34, eine Wicklung
40 und Polflächen 37,39, aus denen Feldlinien 42 austreten. Auf Grund der symmetrischen
Lage der Magnetjoche 32 zum Rohr 10 verlaufen auch die Feldlinien 42 der beiden
Magnetjoche vollkommen symmetrisch zueinander. Zerlegt
man die
Feldlinien in eine Längskomponente Hz und eine Querkomponente Hq, so addieren sich
die jeweils von den beiden Magnetjochen herrührenden Längskomponenten Hz1 und Hz2,
während sich die jeweils von den beiden Magnetjochen herrührenden Querkomponenten
Hql und Hq2 gegenseitig aufheben. In den Bereichen zwischen den beiden Magnetjochen
32 wird auf diese Weise eine gute Homogenisierung des magnetischen Längsfeldes erreicht.
Außerdem tritt mit zunehmendem Abstand von den Polen die Normalkomponente Hy stark
zurück. Für einen Bereich 44, der dem Bereich 24 in der Größe entspricht, soll die
Aufteilung in Normal- und Längskomponente näher betrachtet werden. Bereich 44 erstreckt
sich beiderseits einer Mantellinie 46, die sich genau auf der Mitte zwischen den
beiden Magnetjochen 32 befindet. Die Länge L des Bereiches 44 beträgt etwa 70 %
der Strecke zwischen den beiden Polen 36,38 eines Magnetjoches 32. Figur 2b zeigt
den Verlauf der Größe von Normal- und Längskomponente des Magnetfeldes H über die
Längskoordinate z. Es erweist sich, daß die Schwankungsbreite s der Längskomponente
Hz innerhalb der Strecke L kleiner als + 10 % eines mittleren Höchstwertes bleibt.
Das bedeutet für die Streuflußabtastung des Bereiches 44 eine hinlänglich gute Reproduzierbarkeit
der zu erwartenden Prüfergebnisse.
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Die Höhe der Normal komponenten Hy liegt auch im ungünstigsten Fall
noch bei etwa 1/10 der Höhe der Längskomponente Hz. Im Vergleich zur Anordnung von
Figur 1 kann so das Verhältnis von Längskomponente Hz zur Normalkomponente Hy um
etwa den Faktor 50 verbessert werden. Damit läßt sich eine starke Reduzierung des
Störpegels und eine entsprechende Anhebung des Nutz/Störabstandes erzielen.
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In Figur 3 ist in stark vereinfachter, perspektivischer Darstellung
eine Anordnung zum Prüfen des Rohres 10 wiedergegeben. Das Rohr 10 ruht auf Rollen
50, die von einer Antriebseinrichtung zur Rotation in Richtung der Pfeile 52 angetrieben
werden und dem Rohr 10 eine Umdrehung in Richtung von Pfeil 54 verleihen. In einem
Montagerahmen 56 ist eine Magnetisierungseinrichtung 58 und eine Abtasteinrichtung
60 eingebaut.
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Der Montagerahmen 56 besitzt eine Deckplatte 57. Er kann von nicht
dargestellten Mitteln in Richtung von Pfeil 62 längs des Rohres 10 geführt und angetrieben
werden. Dabei kann sich der Montagerahmen 56 mit Hilfe von an ihm angebrachten Stützrollen
64 auf die Oberfläche des Rohres 10 abstützen. Weiterhin sind Mittel vorgesehen
mit deren Hilfe man den Montagerahmen 56 gänzlich von der Oberfläche des Rohres
10 abheben kann, um das geprüfte Rohr 10 gegen ein neues zu prüfendes auszutauschen,
ohne daß das Rohr in axialer Richtung bewegt werden muß.
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Die Magnetisierungseinrichtung 58 besteht aus zwei Magnetjochen 32,
die im wesentlichen gemäß Figur 2a aufgebaut sind, mit einer Magnetisierungswicklung
40, zugehörigen Anschlußdrähten 41, einem Kern 34 und Polen 36, 38. An den letzteren
sind austauschbare Pol schuhe 35 angebracht, deren Polflächen 37,39 an die Krümmung
der Rohroberfläche angepaßt sind. Die Magnetjoche 32 sind in Richtung von Pfeil
66 beweglich ausgeführt. Sie werden durch Federkraft oder dgl. an die Rohroberfläche
angedrückt. Dabei stützen sie sich mit am Kern 34 befestigten Rollen 68 gegen die
Rohroberfläche ab, um einen vorgegebenen Abstand zwischen der letzteren und den
Polflächen einzuhalten. Beim Abheben des Montagerahmens 56 von der Rohroberfläche
lassen sich die Magnetjoche 32 in eine rückwärtige Stellung führen.
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Die Abtasteinrichtung 60 setzt sich zusammen aus einer Abtastscheibe
70 mit drei auf einer Kreislinie 72 angeordneten magnetischen Streuflußsonden 74,
aus einem Antriebsmotor 76 und aus einer Motor 76 und Scheibe 70 verbindenden Welle
78, über die die Scheibe 70 zur Rotation in Richtung von Pfeil 71 angetrieben wird.
Die Sonden 74 sind über Rotierübertrager oder Schleifringe und ein Anschlußkabel
(nicht sichtbar) mit einer elektronischen Auswerteeinheit verbunden. In bekannter
Weise werden die Sonden 74 so umgeschaltet, daß jeweils immer nur die Sonde an die
Auswerteeinheit angeschlossen ist, die gerade den Bereich 44 der Rohroberfläche
gemäß Figur 2a abtastet.
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Zu diesem Zweck ist an einem der rotierenden Teile ein Winkelgeber
angebracht, mit dessen Hilfe bei jedem vollen Umlauf der Scheibe und bei bestimmten
Bruchteilen eines Umlaufes elektrische Impulse abgeleitet werden, die zur Steuerung
der Umschaltung dienen.
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Durch die Rotationsbewegung des Rohres 10 und die Translationsbewegung
des Montagerahmens 56, in den die Abtasteinrichtung 60 eingebaut ist, ergibt sich
die gewünschte schraubenförmige Relativbewegung zwischen der letzteren und dem Rohr
10. Stellt man durch entsprechende Wahl der Antriebsgeschwindigkeiten die Steigung
der schraubenförmigen Bewegung so ein, daß sie der Länge L des Abtastbereiches 44
entspricht, so erzielt man eine vollständige Abtastung der Rohroberfläche durch
die Sonden 74. Der Abtastweg der Sonden liegt dabei zwar auf einer Kreisbahn. Da
jedoch nur ein kleiner Teil des Kreises 72 für die Abtastung ausgenützt wird, weicht
der in den Abtastbereich 44 fallende Abtastweg nicht sehr weit vom Verlauf einer
Geraden ab.
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Figur 4 zeigt in Vorderansicht eine andere Ausführungsmöglichkeit
der Erfindung. Ein bügelförmiger Montagerahmen 80, der sich mit Hilfe von Stützrollen
82 auf die Oberfläche des Rohres 10 abstützt, trägt eine Ma(Jnetisierungseinrichtung
84 und eine Abtasteinrichtung 86.
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Die Magnetisierungseinrichtung 84 besteht wiederum aus zwei Magnetjochen
32, die an schrägen seitlichen Gliedem 88 des Montagerahmens 80 befestigt sind.
Die Pole 36,38 der Magnetjoche 32 sind dadurch nur auf eine Hälfte der Rohroberfläche
gerichtet, in der sich auch der jeweils zu prüfende Bereich befindet, normalerweise
also die obere Hälfte. Die Lage der Magnetjoche 32 zum Rohr 10 ist in Richtung der
Pfeile 90 verstellbar. Wie zuvor beschrieben, sind austauschbare Pol schuhe 35 vorgesehen.
Auch sonst entsprechen die Magnetjoche 32 den zuvor beschriebenen, sodaß eine erneute
Beschreibung überflüssig ist.
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Bei der Abtasteinrichtung 86 kann es sich im vorliegenden Fall um
einen mechanischen Schwinger handeln, der eine lineare oszillierende Bewegung senkrecht
zur Zeichenebene herstellt und auf einen Sondenbalken 87 überträgt, auf dem eine
Anzahl von Sonden angeordnet sind. Es ist auch ein Sondenbalken 87 denkbar mit einer
größeren Anzahl hintereinander angeordneten Sonden, z.B. Hallsonden, die in schneller
Folge elektronisch abgefragt werden, so daß eine mechanische Abtastbewegung entfällt.
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Durch das Zusammenrücken der beiden Magnetjoche 32 auf die obere
Rohrhälfte wird ein einfacheres Abheben des Montagerahmens 80 von Rohr 10 möglich,
ohne daß dazu ein Auseinanderfahren der beiden Magnetjoche 32 erforderlich wird.
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung geht aus Figur 5 hervor. Hier ist nochmals
das Längs-
feld Hz in einem Bereich entlang der mittleren Mantellinie
zwischen den beiden Magnetjochen 32 über der Längskoordinate z aufgetragen. Man
sieht, daß eine Verbess-erung der Konstanz des Längsfeldes stattgefunden hat. Die
Schwankungsbreite S innerhalb der Länge L des Abtastbereiches liegt jetzt nur noch
bei etwa + 4 %. Durch weiteres Zusammenrücken beider Joche kann die Konstanz des
Längsfeldes Hz noch mehr verbessert werden. Allerdings soll im -Interesse eines
besonders niedrigen Anteils der Normalkomponente Hy der Winkel II eines von Bedeckung
durch Magnetpole freien Zwickels zwischen den Magnetjochen nicht kleiner als 300
werden.
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Eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung ist durch die Magnetisierungsanordnung
92 gemäß Figur 6 geboten, die eine Vorderansicht in axialer Richtung wiedergibt.
Hier werden zwei Magnetjoche 94 eingesetzt, die wie die bisher beschriebenen einen
U-förmigen Kern 96 besitzen, auf dessen mittleren Schenkel zwischen Polen 98 eine
Magnetisierungswicklung 100 angeordnet ist. Wie in der Anordnung nach Figur 4 sind
die Pole 98 nur auf eine Hälfte der Rohroberfläche gerichtet, nämlich die, in der
sich auch der jeweils zu prüfende Bereich befindet, normalerweise also die obere
Hälfte. Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Magnetjochen 32 knicken die Pole
98 aus ihrer ursprünglichen Richtung ab. Im weiteren Verlauf liegen die Mittelebenen
99 der abknickenden Pole 98 in einer für beide Magnetjoche 94 gemeinsamen, des Rohr
10 symmetrisch zum Prüfbereich schneidenden Ebene. Für die vorgesehenen auswechselbaren
Pol schuhe 102 ergibt sich dabei eine unsymmetrsiche spitze Form. Ein Nachstellen
der Magnetjoche 94 bei Anderungen der Abmessungen des Rohres 10 kann parallel zu
den Mittelebenen 99 in Richtung der Pfeile 104 erfolgen, wenn dies nicht bereits
durch Auswechseln der Pol schuhe 102 möglich ist. Es emp-
fiehlt
sich auch hier, den Winkel & nicht kleiner als 30° zu machen. Bei der Anordnung
nach Figur 6 ist ähnlich wie bei der nach Figur 4 ein Abheben der Magnetjoche 94
ohne ein Auseinanderfahren derselben möglich.
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Oberhalb einer Ebene, die von der Oberseite der abknikkenden Pole
98 gebildet wird, ergibt sich ein Freiraum für die Unterbringung einer umfangreichen
Abtasteinrichtung, in den das Rohr 10 hineinragt und der seitlich unbegrenzt ist.
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Das in Figur 6 beschriebene Prinzip der abknickenden Pole kann auch
in umgekehrter Weise angewandt werden, wenn nämlich der Raum zwischen den beiden
Magnetwicklungen 100 für die Unterbringung der Abtasteinrichtung ausreichend ist,
und wenn andererseits unterhalb der Magnetjoche 94 ein Freiraum gewünscht wird.
In diesem Falle sind die Pole 98 schräg oder senkrecht nach unten gerichtet und
knicken in Richtung auf die Rohroberfläche ab, um wiederum mit ihren Mittelebenen
99 in eine gemeinsame horizontale Ebene zu münden. Die Unterseiten der abknickenden
Pole 98 bilden dann eine Ebene, unterhalb deren sich der gewünschte Freiraum befindet.
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Auf diese Weise gelingt es, den Weg der Abhebung der Magnetisierungs-
und Abtasteinrichtung von der Rohroberfläche, der zum seitwärts gerichteten Be-
und Entladen der Prüfanlage mit Rohren notwendig ist, so klein wie möglich zu halten.