DE3527972A1 - Wirbelstrom-pruefverfahren fuer staebe, draehte oder rohre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wirbelstrom-Prüfverfahren für Stäbe, Drähte oder Rohre zum Erfassen von Materialfehlern mit mindestens einer ein alternierendes Magnetfeld im Prüf­ ling erzeugenden Senderspule und mindestens einer von dem Magnetfeld beeinflußten Empfängerspule.

Zum Prüfen von Rohren ist es beispielsweise aus der Zeit­ schrift INTERNATIONAL ADVANCES IN NONDESTRUCTIVE TESTING, Vol. 9 (1983), Seiten 248 bis 256 bekannt, Rohre auf Ober­ flächenfehler zu untersuchen. Dazu werden um das Rohr Spu­ len gelegt, deren Anschlüsse an eine Wechselspannungsquel­ le angeschlossen sind, so daß in dem Rohr ein vorzugsweise parallel zur Rohrachse gerichtetes Wechselfeld erzeugt wird. In einer Empfängerspule, die in gleicher Weise wie die das Feld erzeugende Spule um das Rohr gewickelt ist, wird eine Spannung induziert, die von der Beschaffenheit des Rohrstückes abhängt, das sich gerade innerhalb der Spule befindet. Die induzierte Spannung hängt zum einen davon ab, ob das Rohr magnetisch oder nicht magnetisch ist, zum anderen davon, wie die Leitfähigkeit des Rohrma­ terials, die Wandstärke usw. ist. Risse im Rohrmaterial oder Einschlüsse fremder Materialien verändern das Magnet­ feld und gegebenenfalls die von diesem Magnetfeld erzeug­ ten, im Rohr fließenden Wirbelströme und ändern daher auch die in der gleichen Spule induzierte Spannung.

Verwendet man zwei achsial zueinander versetzte Sender und Empfängerspulen, so lassen sich diese letzteren in einer Brückenschaltung gegeneinander schalten und nur die durch Fehler verursachten Unterschiede in den induzierten Spannungen geben ein Signal ab.

Sind diese Spulen zylindrisch angeordnet, so lassen sich vorwiegend nur Fehler bzw. Risse mit einer Komponente in Richtung der Rohrachse erfassen, während Risse, die senk­ recht zur Rohrachse verlaufen, den induzierten Wirbelstrom kaum beeinflussen und daher auch kaum erkannt werden. Um auch Querrisse erkennen zu können, ist es aus der genannten Literatur weiterhin bekannt, die Sender- und Empfängerspu­ len nicht senkrecht zur Rohrachse um das Rohr herumzuwik­ keln, sondern in einem bestimmten Winkel dazu. Ordnet man weiterhin zwei derartige Sender- und Empfängerspulen in Achsrichtung des Rohres hintereinander an und verdreht sie gegeneinander um ca. 90°, dann lassen sich an beliebigen Stellen des Umfangs auch Risse senkrecht zur Rohrachse durch die Prüfeinrichtung erfassen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Wirbel­ strom-Prüfeinrichtung anzugeben, die zusätzlich auch auf Fehler im Bereich der Achse reagiert, so daß neben Rohren auch Stäbe, Drähte oder Verbundwerkstoffe, wie Supraleiter, geprüft werden können. Zusätzlich gestattet es die Ein­ richtung nach der vorliegenden Erfindung, daß unterschied­ liche Fehlerarten voneinander unterschieden werden können, so daß man zwischen tolerierbaren und nicht tolerierbaren Fehlern unterscheiden kann.

Beispielsweise bei einem Supraleiter, der aus einem Matrix­ material mit darin eingelagerten supraleitenden Filamenten besteht, die nur in bestimmten Querschnittsbereichen vor­ handen sind, kann man so bestimmen, ob sich ein Fehler in dem Querschnittsbereich befindet, in dem die Filamente an­ geordnet sind. So lassen sich kritische und unkritische Fehler - wie z.B. Quetschungen eines Kupfermantels, Lack­ einschlüsse oder dergleichen - unterscheiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Windungen mindestens einer Senderspule so geführt sind, daß sich ein den Prüfling senkrecht zu seiner Mittelachse durch­ setzendes alternierendes Magnetfeld ergibt.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Fig. 1 und 2 zeigen in schematischer Darstellung zwei verschiedene Spulenformen, mit denen ein magnetisches Wechselfeld senkrecht zur Achse eines Prüflings erzeugt werden kann.

In Fig. 3 ist ein Prinzipschaltbild für die Empfänger und Senderspule dargestellt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen in etwa die Ausbildung der Wir­ belströme bei unterschiedlichen Rissen und in Fig. 6 sind für verschiedene Fehlerarten die gemessenen Signale für den Fall dargestellt, daß zusätzlich zu der neuen Spulen­ anordnung auch die bekannte Spulenanordnung mit den Prüf­ ling zylinderförmig umgebenden Spulen vorgesehen ist.

Fig. 1 zeigt den Prüfling 1 mit seiner Mittelachse 2. Als Prüfling 1 kann wahlweise ein Stab, ein Band, ein Draht, ein Rohr oder irgend ein anderes langgestrecktes Gebilde vorgesehen sein, das kontinuierlich durch die Wirbelstrom-Prüfeinrichtung gezogen und dabei geprüft wird.

In Fig. 1 sind zwei im Winkel von 45° schräg zur Mittel­ achse angeordnete sich kreuzende Spulensysteme 3 und 4 vorgesehen. Der Einfachheit halber ist jedes Spulensy­ stem nur als einfache, in sich geschlossene Linie darge­ stellt, wobei die Stromrichtung, wie sie beispielsweise in einem bestimmten Augenblick vorliegt, durch Pfeile ge­ kennzeichnet ist. Wie beim Bekannten besteht jedes Spulen­ system aus einer Sender- und Empfängerspule mit entspre­ chenden Zuleitungen. Die Windungen der Senderspule und auch der Empfängerspule in den Spulensystemen 3 und 4 sind beispielsweise hintereinander geschaltet um sicher­ zustellen, daß in beiden Spulensystemen der gleiche Strom fließt und sich so ein Magnetfeld senkrecht zur Mittel­ achse 2 des Prüflings 1 ausbildet.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung, wie ein Magnetfeld senkrecht zur Mittelachse 2 des Prüflings 1 durch sattelförmig aus­ gebildete Spulensysteme erzeugt werden kann. Um ein mög­ lichst gleichmäßig den Prüfling 1 durchsetzendes Magnet­ feld zu erzielen, sind Spulensysteme 5, 6, 7 und 8 vor­ gesehen. Dabei umschließen die Spulensysteme 5 und 6 den Umfang des Prüflings 1 um etwa nur ¼, während die Spu­ lensysteme 7 und 8 fast den halben Umfang des Prüflings 1 abdecken.

Auch hier ergeben sich Ströme, die im wesentlichen pa­ rallel zur Mittelachse 2 gerichtet sind und in einem be­ stimmten Augenblick, beispielsweise im Vordergrund nach rechts und im Hintergrund der Fig. 2 nach links fließen. Auch hier besteht jedes Spulensystem sowohl aus einer Sender- als auch Empfängerspule und die einzelnen Spu­ lensysteme sind hintereinander geschaltet, so daß es sich, elektrisch gesehen, um nur eine Sender- und nur eine Empfänger-Spule handelt.

Die in den Spulensystemen 3 und 4 oder 5 bis 8 jeweils enthaltene Senderspule 9 und Empfängerspule 10 sind im Prinzipschaltbild in Fig. 3 dargestellt. Um einen Ver­ gleichswert zu erzielen, ist an einer achsial versetzten Stelle des Prüflings eine weitere Anordnung mit Spulen­ systemen entsprechend den Fig. 1 oder 2 vorgesehen. Diese weitere Anordnung besitzt beispielsweise die Sender­ spule 11 und die Empfängerspule 12. Die Senderspulen 9 und 11 sind über eine Abgleicheinheit 13, die aus einer Brückenschaltung mit festen Widerständen 14 und 15 und einstellbaren Widerständen 16 und 17 besteht, mit Aus­ gleichsleitungen 18 und 19 eines Oszillators 20 verbunden. Dieser liefert beispielsweise eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 100 kHz, die in den Senderspulen 9 und 11 einen entsprechenden Strom zur Folge hat. Die ein­ stellbaren Widerstände 16 und 17 werden so justiert, daß die Ströme in den Senderspulen 9 und 11 hinsichtlich Amplitude und Phasenlage einander gleich sind. Die Empfängerspulen 10 und 12 sind gegeneinander und in Reihe geschaltet, so daß die in diesen Spulen induzier­ ten Spannungen (U ₁ in der Empfängerspule 10 und U _ref in der Empfängerspule 12) einander entgegengerichtet sind.

Die Reihenschaltung der Empfängerspulen 10 und 12 ist an die Eingangsleitungen 21 und 22 einer Analysatorschaltung 23 angeschlossen. Die Analysatorschaltung 23 ist so aufge­ baut, daß an deren Ausgangsleitungen 24 und 25 der Wirkan­ teil und an deren Ausgangsleitungen 26 und 27 der Blindan­ teil des in den Eingangsleitungen 21 und 22 fließenden Stromes, bezogen auf die zwischen den Eingangsleitungen auftretende Spannung delta U, anliegt. Hierbei ist der Wirkanteil mit delta U _r und der Blindanteil mit delta U _i bezeichnet. Die Ausgangsleitungen 24 bis 27 sind an ein Hochpaßfilter 28 geführt, das die hier interessierende ho­ he Frequenz aussiebt. Die so gefilterten Signale gehen zur Zwischenspeicherung der Signaldauer an einen Zwischen­ speicher 29 und beeinflussen ein mehrkanaliges Schreib­ gerät 30, das die Empfängersignale fortlaufend aufzeich­ net.

Hochpaßfilter 28, Zwischenspeicher 29 und Schreibgerät 30 können außerdem Signale von weiteren Spulensystemen empfangen, so daß auch eine Kombination mit dem bekannten zylinderförmigen Spulensystem vorgenommen werden kann, um Fehler in allen Richtungen sowohl am Umfang als auch im Innern des Prüflings erfassen zu können.

Durch das von den Spulensystemen nach Fig. 1 oder 2 oder von ähnlichen Spulensystemen erzeugte Magnetfeld senkrecht zur Mittelachse 2 bildet sich bei einem Fehler in der Mittelachse ein Wirbelstromverlauf aus, wie er bei­ spielsweise in Fig. 4 dargestellt ist. Nach einer Drehung des Prüflings relativ zum Spulensystem um 90° - wie in Fi­ gur 5 dargestellt - wird der Wirbelstromverlauf nur im Innern beeinflußt, so daß gegenüber der Anordnung entspre­ chend Fig. 4 ein schwächeres Signal auftritt.

Durch kombinierte Anwendung eines oder mehrerer im Winkel gegeneinander versetzter erfindungsgemäßen Spulensysteme mit senkrecht zur Mittelachse 2 ausgerichteten Magnet­ feldern und gegebenenfalls bekannten Spulensystemen mit Magnetfeldern parallel oder schräg zur Mittelachse lassen sich so - abhängig von der Art des Prüflings - auch unter­ schiedliche Fehler unterscheiden.

In Fig. 6 ist hierzu das vom Schreibgerät 30 aufgezeich­ nete Signal für das erfindungsgemäße Spulensystem mit x ₂ (Wirkanteil) und y ₂ (Blindanteil) bezeichnet worden. Es wurden hier Sattelspulen entsprechend Fig. 2 verwendet, und durch die Senderspule ein Strom mit einer Frequenz von 100 kHz geschickt. Signale von zusätzlich um den Prüfling angeordneten Zylinderspulen, die mit einer Frequenz von 10 kHz beaufschlagt wurden, sind entsprechend mit x ₁ und y ₁ bezeichnet. Die senkrechten Linien in Fig. 6 stellen jedoch jeweils die Nullinie der vom Schreibgerät 30 erfaß­ ten Spannung dar. Die waagerechten Striche kennzeichnen die aufgezeichnete Signalhöhe.

Bei einer Messung entsprechend Fig. 6a mit großem Signal x ₂ und kleinem Signal y ₂ und keinem Signal x ₁ und y ₁ liegt ein Fehler im Kern des Prüflings vor. Dies kann beispiels­ weise eine Materialbeschädigung sein, eine Schweißstelle oder ein nichtmagnetisches Fremdteil. Wenn sich die Schweiß­ stelle nicht nur in der Mitte befindet, sondern auch radial nach außen erstreckt, erhält man beispielsweise ein Signal­ bild nach Fig. 6b. Hier mißt auch die Zylinderspule einen relativ großen Wirkanteil, jedoch keinen Blindanteil der Signalspannung.

Fig. 6c zeigt eine Signalverteilung, wie sie durch magne­ tische Fremdteilchen in der Nähe der Oberfläche beobachtet werden konnte, und Fig. 6d ein Meßergebnis, das durch ma­ gnetische Fremdteilchen in Achsnähe verursacht wurde.

Um eine Zuordnung des Signalbildes zu bestimmten Fehler­ arten vornehmen zu können, wird man bei jedem unterschied­ lichen Signalbild den Prüfling untersuchen. Anschließend kann aus dem Signalbild auf den Fehler geschlossen werden.

Claims (8)

1. Wirbelstrom-Prüfeinrichtung für Stäbe, Drähte oder Rohre zum Erfassen von Materialfehlern mit mindestens einer ein alternierendes Magnetfeld im Prüfling erzeugen­ den Senderspule (9) und mindestens einer von dem Magnet­ feld beeinflußten Empfängerspule (10), dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen mindestens einer Senderspule (9) so ge­ führt sind, daß sich ein den Prüfling (1) senkrecht zu seiner Mittelachse (2) durchsetzendes alternierendes Magnet­ feld ergibt.

2. Wirbelstrom-Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei sich kreuzende, im Winkel zur Mittelachse (2) angeordnete Spulensysteme (3 und 4) mit je einer Sender­ spule und einer Empfängerspule angeordnet sind.

3. Wirbelstrom-Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein sattelartig geformtes und den Umfang des Prüflings (1) mindestensteilweise umgebendes Spulen­ system (5, 6 und/oder 7, 8) vorgesehen ist.

4. Wirbelstrom-Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Spulensystem (3 bis 8) sowohl eine Senderspule als auch eine Empfängerspule enthält und daß die Sender und/oder Empfängerspulen aller ein Magnetfeld erzeugenden Spulensysteme hintereinander geschaltet sind.

5. Wirbelstrom-Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Prüfeinrichtung mit senrecht zur Mittelachse (2) gerichtetem Magnetfeld eine Prüfein­ richtung mit im wesentlichen parallel zur Mittelachse (2) gerichtetem Magnetfeld vorgesehen ist.

6. Wirbelstrom-Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber dem Prüfling (1) achsial versetzt zwei gleichartige Spulensysteme vorgesehen sind, deren Empfängerspulen (10, 12) gegensinnig hintereinander geschaltet sind, so daß sich die darin induzierten Spannungen (U ₁, U _ref ) bei fehlerfreiem Prüfling gegen­ seitig aufheben, und daß die an der Reihenschaltung abgreifbare Differenzspannung und der darin fließende Strom in einer Analysatorschaltung (23) in einen Wirk­ (U _r ) und einen Blindanteil (U _i ) zerlegt und angezeigt bzw. aufgezeichnet werden.

7. Wirbelstrom-Prüfeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfeinrichtungen mit unterschiedlich gerichteten Magnetfeldern an Oszillatorspannungen mit unterschied­ lichen Frequenzen angeschlossen sind.

8. Wirbelstrom-Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulensysteme mehrerer Prüfeinrichtungen mit Magnetfeldern senkrecht zur Mittelachse (2) achsial versetzt angeordnet und daß die von diesen Prüfeinrich­ tungen erzeugten Magnetfelder gegenüber der Mittelachse (2) des Prüflings (1) gegeneinander verdreht ausgerichtet sind.