Hintergrund und Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf magnetische Brücken und insbesondere auf verbesserte
magnetische Brückenanordnungen zur elektromagnetischen Auswertung verschiedener
Proben und Materialien durch eine Messung der komplexen Größe und der Phasenkomponenten
eines induzierten magnetischen Flusses.
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Magnetische Brücken, die durch zeitveränderliche magnetische Felder betrieben werden
(US Patent 3 379 969 von O.H. Zinke), können durch Kombinationen von Widerständen
und Reaktanzen gesteuert werden, die an die Brückenarme gekoppelt sind (US Patent
3 534 253 von O.H. Zinke), und sie können dazu verwendet werden, leitende und/oder
magnetische Eigenschaften von Proben zu messen, die entweder direkt in die Spalte in den
Brückenarmen oder in die Streu- oder Randfelder der Spalte eingeführt werden. Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Modifikation einer derartigen Brückenanordnung.
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Um eine maximale Empfindlichkeit bei der oben beschriebenen Brückenanordnung nach
dem Stand der Technik zu erzielen, müssen Proben direkt in die Spalte eingesetzt werden,
um den maximalen Betrag eines zeitveränderlichen Flusses zu schneiden. Wenn aus
Gründen der Bequemlichkeit Proben in dem Streu- oder Randfluß (fringing flux) angeordnet
werden, verändert sich die Empfindlichkeit der Brücke gegenüber den Eigenschaften der
Probe in dem ungefähren Verhältnis des von der Probe geschnittenen Randflusses zu dem
Gesamtfluß in dem Spalt. Bei den in den zwei oben genannten Patenten beschriebenen
magnetischen Brücken tritt die wirksamste Verwendungsweise somit auf, wenn die Probe
direkt in dem Spalt in einem Brückenarm angeordnet wird. Unter diesen Umständen ist die
Größe der Probe, die untersucht werden kann, durch die Breite des Spalts, der verwendet
werden kann, sowie durch die Länge des Brückenarms beschränkt. Wenn beispielsweise
eine Flugzeugtragfläche auf Ermüdungserscheinungen in der Aluminiumhaut untersucht
werden soll, müßten die Brückenarme ungefähr die Hälfte der Breite der Flugzeugtragfläche
haben, und der Spalt in der Brücke müßte größer sein als die Dicke der Tragfläche. Ein
derartig breiter Spalt würde den zeitveränderlichen magnetischen Fluß aufgrund der
Tendenz des Flusses, sich auszubreiten, wenn er einen magnetischen Pol (die Stirnfläche der
Spalte) verläßt, erheblich reduzieren. Weiterhin, und möglicherweise noch wichtiger,
können die in die Probe unter derartigen Umständen induzierten Wirbelströme nicht Bahnen
haben, die geeignet für die Aufnahme der gesuchten Eigenschaft sind. In dem oben
beschriebenen Beispiel könnten die Wirbelstrombahnen die Größenordnung der Probe, der
Tragfläche,haben, während die Eigenschaft, nach der gesucht wird, kleine Risse sein
würden, die in der Nähe der Nieten in der Tragfläche auftreten. Die Empfindlichkeit der Brücke
würde weiterhin durch das Verhältnis des Volumens des Risses zu dem Volumen der
gesamten Tragfläche reduziert werden.
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US-A-3 626 344 offenbart einen Wirbelstrom-Wandler, der zur Auswertung der
Eigenschaften von Metallproben verwendet wird. Der Wandler weist eine Induktivitätsspule auf,
die mit einem Ferrit-Kern versehen ist, in dem sich ein Spalt befindet. Wenn ein
elektromagnetisches Feld innerhalb des Kerns auftritt, wird ein Randfluß um diesen Spalt herum
erzeugt. Ein nicht-magnetischer Einsatz hoher Leitfähigkeit wird innerhalb des Spalts
angeordnet und erstreckt sich nur auf einer Seite des Spalts über diesen hinaus, um zu
bewirken, daß der Randfluß an der gegenüberliegenden Seite des Spalts für eine genauere
Auswertung von Proben vergrößert wird, so daß Veränderungen des zeitveränderlichen Flusses,
die von den Fühlspulen wahrgenommen werden, aus Veränderungen in dem Randfluß
benachbart zu dem Probenauswerteabschnitt resultieren, die wiederum von Veränderungen in
den Probeneigenschaften oder der Probenposition bewirkt werden. Dieser Wirbelstrom-
Wandler ermöglicht außerdem eine Detektierung auf einer einzigen Seite.
Die Erfindung
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Die Erfindung schafft eine magnetische Brücke zur Auswertung von Proben, die folgende
Merkmale aufweist: Einen magnetischen Schaltkreis, der mindestens vier Arme, einen
Antriebsabschnitt sowie eine Antriebseinrichtung, die dem Antriebsabschnitt zur Bereitstellung
eines mit der Zeit veränderlichen Flusses innerhalb der vier Arme der Brücke zugeordnet
ist, einen Abtastabschnitt sowie eine Abtasteinrichtung hat, die dem Abtastabschnitt
zugeordnet ist, um Veränderungen des mit der Zeit veränderlichen Flusses innerhalb eines
oder mehrerer der vier Arme der Brücke zu fühlen, wobei mindestens einer der vier Arme
zur Auswertung einer Probe verwendet wird, wobei der oder jeder Arm zur Auswertung
einer Probe Polabschnitte aufweist, die Endflächen bilden, die zwischen sich einen Spalt
definieren, der einen Randfluß hat; dadurch gekennzeichnet, daß ein leitender Spalteinsatz in
dem Spalt zwischen den Polabschnitten des Spalts vorgesehen ist, wobei im wesentlichen
keine Verlängerung des leitenden Spalteinsatzes über den Umfang des Spalts hinaus an
einem ausgewählten Probenauswerteabschnitt des Umfangs vorgesehen ist, wobei dieser
Probenauswerteabschnitt ein kleineres Verhältnis des Umfangs repräsentiert, und wobei eine
Verlängerung des Spalteinsatzes über den Umfang des Spalts hinaus um den gesamten
verbleibenden Teil des Umfangs herum vorgesehen ist, um den Randfluß in der Nähe des
Probenauswerteabschnitts zu vergrößern, so daß, wenn eine magnetisch durchlässige Probe in
der Nähe des Probenauswerteabschnitts angeordnet wird, ein Randfluß innerhalb der Probe
errichtet wird, und wobei Veränderungen des mit der Zeit veränderlichen Flusses, die durch
die Abtasteinrichtung gefühlt werden, aus Veränderungen in dem Randfluß in der Nähe des
Probenauswerteabschnitts resultieren, die durch Veränderungen in den Probeneigenschaften
oder der Probenposition bewirkt werden.
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Diese Veränderung der magnetischen Brückenanordnung der US-A-3 534 253, die die
Verwendung eines leitenden Metalleinsatzes in einem Spalt der Brücke umfaßt, um als
Mittel zur Vergrößerung eines Randflusses außerhalb des Spalts zu dienen, wird als "Einzel
Seiten"-Detektierung ("single-side" detection) oder als "Einzel-Seiten"-Technik
("single-side" technique) bezeichnet, da der durch die Brücke erzeugte Randfluß dazu
verwendet werden kann, die Probe von einer Seite der Probe zu untersuchen. Die Veränderung
verringert darüber hinaus das Volumen der abgetasteten Probe auf nur einige wenige
Kubikzentimeter (Bruchteile eines Kubik-Inch). Durch die Verwendung dieser Veränderung
ist es möglich, Risse in der Nähe von Nieten in Flugzeugtragflächen mit einer Brücke zu
detektieren, die ein Volumen von weniger als einigen sehr wenigen Kubikzentimetern (1
Kubik-Inch) hat. Der Effekt dieser Veränderung ist es weiterhin, den gesamten Fluß in
einem magnetischen Spalt, der ein zeitveränderliches magnetisches Feld trägt, vollständig aus
dem Spalt hinaus und in das Randfeld hinein zu bewegen.
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Eine Einzel-Seiten-Detektierung, die magnetische Brückenanordnungen gemäß der
Erfindung verwendet, kann somit für eine zerstörungsfreie Auswertung unterschiedlich
konfigurierter Strukturen und Materialien eisenhaltigen oder nicht-eisenhaltigen Metalls ausgeführt
werden. Die Auswertung offenbart Risse, einen Zustand vor einem Riß oder eine
Eigenspannung, Oberflächenfehler sowie Volumenlücken oder Anisotropien.
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Demgemäß können magnetische Brückenanordnungen unterschiedlicher Konfigurationen
vorgesehen werden für die Durchführung einer zerstörungsfreien Auswertung eisenhaltiger
und nicht-eisenhaltiger Proben und Strukturen, wie beispielsweise um Risse, Spannungen
vor einem Riß, Oberflächenfehler, Volumenlücken, Anisotropien und andere Anomalien
darin zu ermitteln, unabhängig von der Form oder Größe der Probe oder Struktur, wie
beispielsweise zum Zweck des Tests von Münzen, des Tests von Rohren, des Tests von
Oberflächen, der Auswertung von Flugzeugstrukturen sowie für viele andere
Auswertungszwecke. Dabei können sie Hystereseschleifen-"Signaturen" ermitteln, die vorhersehbar und
genau die Eigenschaften offenbaren können.
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Derartige magnetische Brückenanordnungen können für andere Auswerte- und
Meßschemata verwendet werden, einschließlich der Messung von Temperaturveränderungen von
Proben eisenhaltiger oder nicht-eisenhaltiger Metalle, unabhängig von der Größe, der Form
oder des Bewegungszustands der Proben. Dabei können sie die Dicken von Schichten oder
Laminaten (laminants) auf eisenhaltigen oder nicht-eisenhaltigen Metallen ermitteln und/
oder messen, wie beispielsweise bei Münzen und anderen plattierten oder geschichteten
Metallen, und ob die Laminate oder deren Oberflächenbeschichtungen metallisch oder
nichtmetallisch sind,und sie können zur Messung der Abmessungen von Proben aus eisenhaltigen
oder nicht-eisenhaltigen Metallen sowie von Vertiefungen oder Eindrücken in solchen
Proben verwendet werden, wie beispielsweise auf Münzen oder auf liniierten oder normierten
Gegenständen, wie beispielsweise Metall-Linealen.
Die Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer magnetischen Brücke mit zugehöriger
Schaltung gemäß dem Stand der Technik.
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Fig. 2 ist eine vereinfachte, bruchstückhafte Ansicht von Polabschnitten einer
magnetischen Brückenanordnung, wobei entsprechend der Erfindung zwischen ihnen ein
leitender Einsatz vorgesehen ist zur magnetischen Auswertung einer benachbarten Pro-
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Fig. 3A, 3B und 3C stellen gemeinsam bruchstückhafte Ansichten ähnlich der Fig. 2 dar, wobei die
magnetische Untersuchung einer Probe nach Fehlern durch magnetische
Brückenanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
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Fig. 4A und 4B sind bruchstückartige Darstellungen eines leitenden Einsatzes sowie zugehöriger
Polkonfigurationen gemäß der Erfindung.
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Fig. 5A und 5B sind Vorder- bzw. Seitenansichten einer magnetischen Brückenanordnung
gemäß der Erfindung, die eine Einzel-Seiten-Detektiemng gemäß der vorliegenden
Offenbarung gestattet.
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Fig. 6 ist eine bruchstückartige Draufsicht auf Teile der Brückenanordnung aus den
Fig. 5A und 5B, die durch eine mit Öffnungen versehene Stirnplatte erstreckt sind.
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Fig. 8 D ist eine Brückenanordnung zur Auswertung einer zylindrischen Oberfläche.
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente in den Ansichten der Figuren.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Unter Bezugnahme auf Fig. 1 dient eine magnetische Brückenschaltung 10 der in dem zuvor
genannten US-Patent 3 534 253 von Zinke beschriebenen Art dazu, die vorliegende
Erfindung zu erläutern.
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Die magnetische-Brückenschaltung 10 weist integrierte Abschnitte A11, A12, A13, A14 und
A15 auf. Die Brücke weist außerdem einstückig verbundene Abschnitte B11, B12, B13,
B14 und B15 auf. Abschnitt A11 ist der Eingangsabschnitt oder Eingangsschenkel der
Brücke, wobei eine Eingangswindung WA1 daran angebracht ist. Die Windung WA1 ist mit
einer veränderlichen oder variierenden Stromquelle verbunden, die einen veränderlichen
Fluß in der Kernstruktur erzeugt. In ähnlicher Weise ist der Schenkelabschnitt B11 der
Ausgangsschenkelabschnitt, wobei eine Ausgangswindung WB1 daran angebracht ist. Die
Ausgangswindung WB1 reagiert auf Veränderungen in dem Zustand des Flusses in der
Brücke.
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Die Ausgangswindung WB1 ist an eine geeignete Ausgangsschaltung, -einrichtung oder ein
anderes Ausgangsmittel angeschlossen, für eine Messung der Größe und der Phase des in
die Ausgangswindung WB1 induzierten Signals und für einen Vergleich seiner Phase relativ
zu der eines zeitlich veränderlichen Eingangssignals.
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Es ergibt sich somit, daß die Brücke einen Eingangsabschnitt, einen Ausgangsabschnitt und
vier Arme aufweist. Ein einzelner Arm kann beispielsweise so betrachtet werden, daß er aus
Abschnitten A12, B12 gebildet ist, und wobei jeder Arm einen Spalt G12, G13, G14 und
G15 hat, in denen Spalteinsatzelemente C12, C13, C14 und C15 für eine Spaltkopplung
zwischen den benachbarten Enden der die Spalte definierenden Brückenabschnitte
angeordnet sind. Die Enden der so dargestellten, die Arme definierenden Brückenabschnitte können
jedoch in manchen Fällen in direktem Kontakt oder einstückig ausgebildet sein, wie
beispielsweise für die in dem Zinke-Patent 3 534 253 genannten Zwecke.
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An jedem der Abschnitte A12, A13, A14 und A15 ist eine entsprechende Windung oder
Spule W12, W13, W14 und W15 angebracht. Diese Windungen sind jeweils an passive
Schaltungen angeschlossen, wie beispielsweise die Schaltungen D12, D13, D14 und D15.
Jede der passiven Schaltungen weist einstellbare passive Elemente auf, die dazu verwendet
werden, die Schaltung auf Null zu setzen, um ein minimales Ausgangssignal an der
Windung WB1 zu erzeugen, wenn sich die Brücke in einem abgeglichenen oder Null-Zustand
befindet. Eine typische passive Widerstands-Kapazitäts-(R-C)-Schaltung ist in Block D15
dargestellt, wobei sie einen variablen Widerstand 12 und einen variablen Kondensator 14
aufweist, die parallel zueinander geschaltet sind. Auch andere Kombinationen passiver
Schaltungselemente können in diesen Blöcken verwendet werden, wobei es üblicherweise
wünschenswert ist, sowohl Widerstands- als auch Reaktanzelemente vorzusehen. Durch
einen Abgleich der Elemente in den Schaltungen D12 bis D15 wird, wie oben gesagt, ein
Null-Zustand erzeugt, wenn sich das Ausgangssignal an der Windung WB1 an einem
Minimum befindet. Der Null-Zustand wird durch den Effekt erzeugt, den die passiven
Schaltungen auf den Real- und Imaginärteil des Flusses in den entsprechenden Armen der
Brückenschaltung haben. Dieses verändert gleichzeitig die Phase und die Größe des Flusses
in den Armen und erzeugt damit auch den gewünschten minimalen Flußzustand in dem
Ausgangsabschnitt B11 und somit in der Ausgangsspule WB1.
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Durch die Verwendung einer zeitlich veränderlichen bzw. einer Wechselstrom-
Eingangsquelle wird die Reluktanz komplex, und bei den Bedingungen und Gleichungen für
einen Abgleich der Brücke muß berücksichtigt werden, daß die Reluktanz komplex ist und
daß die Reluktanz sowohl reelle als auch imaginäre Komponenten hat.
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Die somit im allgemeinen für die vorliegende Erfindung verwendete magnetische
Brückenanordnung kann aus H-förmigen Teilen aufgebaut sein, wie es in dem Zinke-Patent
3 534 253 beschrieben ist, wobei die Teile aus Ferrit-Material sind, das die gewünschten
Eigenschaften zur Flußkonzentrierung sowie die gewünschten magnetischen Eigenschaften
hat, obwohl auch andere fluß-konzentrierende Materialien verwendet werden können.
Dennoch können unterschiedlich geformte Teile verwendet werden, um Brücken entsprechend
der Erfindung zu bilden.
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In den Zeichnungen sind Materialien, die eine magnetische Permeabilität größer als Eins
haben, wie beispielsweise Ferrite oder andere eisenhaltige Materialien, durch eine dünne
Schrägschraffur dargestellt.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird die Brücke 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung modifiziert, indem einer der Brückenarme für eine Probenauswertung
konfiguriert wird, indem innerhalb mindestens der spaltformenden Pole des
Probenauswerteabschnitts, z.B. Spalt G15, ein Spalteinsatz C aus elektrisch leitendem Material, wie
beispielsweise Kupfer oder Aluminium, eingesetzt wird. Der Einsatz C hat solche
Abmessungen, daß er sich erheblich über die Pole P1, P2 hinaus erstreckt, mit der Ausnahme, daß die
äußere Kante des Einsatzes C eine bündige Fläche F entlang einer Seite des Spalts bildet.
Diese Anordnung vergrößert die Streuung des Flusses über den Spalt um ein solches Maß,
daß ein Rand- oder Streufeld nur an der Seite des Spalts über die Fläche F gebildet wird,
während der gesamte Fluß aufgrund des innerhalb des leitenden Einsatzes erzeugten
zirkulierenden (oder Wirbel-) Stroms aus dem Spalt entfernt wird. Die Größenordnung des
zirkulierenden Stroms hängt von der Leitfähigkeit des Einsatzes ab, die wiederum von der
Dicke D des Einsatzes abhängt. Aufgrund der Lenz'schen Regel ist bekannt, daß der
zirkulierende Strom in dem Spalteinsatz ein magnetisches Feld erzeugt, das dem Induktionsfeld
entgegengesetzt ist, so daß aufgrund der Superpositionstheorie das Feld in der Mitte des
Spalts abnimmt, wenn sich die zwei magnetischen Felder addieren. Bei einer geeigneten
Spaltbreite, die genauso groß ist wie die Dicke D des Spalteinsatzes, befindet sich ein
Großteil des Induktionsfelds innerhalb des Spalts. Das bedeutet, daß es ein sehr kleines Rand-
oder Streufeld gibt. Da der Wirbelstrom der Außenabmessung des Einsatzes folgt, erzeugt
er dennoch ein Feld innerhalb des Spalts und außerhalb des Spalts. Außerhalb des Spalts
gibt es kein Induktionsfeld, um das induzierte Feld aufzuheben, so daß das Feld innerhalb
des Spalts auf Null geht und das Feld außerhalb des Spalts ansteigt, wenn die Leitfähigkeit
des Einsatzes ansteigt (d.h. wenn D ansteigt). Dementsprechend besteht der Nettoeffekt
darin, das Randfeld von innerhalb des Spalts nach außerhalb des Spalts und somit entlang der
Fläche F zu bewegen. Somit wurde die Brücke modifiziert, indem der Einsatz innerhalb des
Spalts verändert wurde, um den Fluß von innerhalb des Spalts nach außerhalb des Spalts zu
bewegen, wo er ein Randfluß wird. In manchen Situationen kann sich der Einsatz nicht
vollständig bis zu dem Umfang des Spalts an dem Probenauswerteabschnitt (Fig. 3C)
erstrecken, obwohl er sich in dem verbleibenden Teil des Umfangs über den Spalt hinaus
erstreckt.
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Zur Verwendung der so modifizierten Brücke, um einen Einzel-Seiten-Detektor zu
schaffen, wird eine Probe S mit einem Abstand W in der Nähe der Fläche F angeordnet. Wenn
die Probe eisenhaltig ist, wird das magnetische Feld zu der Probe hin angezogen und der
Fluß wird verändert, was eine Veränderung in dem Off-Null-Signal der Brücke bewirkt.
Wenn die Probe nicht eisenhaltig ist, werden die magnetischen Feldlinien zwischen die
Probe und den Probeauswertespalt '"gequetscht", wodurch wiederum das Off-Null-Signal
der Brücke verändert wird. In jedem Fall beeinflußt die Probe das Feld, so daß ein Signal
aus der Gegenwart der Probe resultiert, und es kann in dem Fühlabschnitt B11 durch die
Fühlspule WB1 erfaßt werden. Eine Hin- und Herbewegung der Probe in einer Richtung
senkrecht zu dem Spalt verändert das Off-Null-Signal der Brücke, wodurch es möglich
wird, daß die Brücke als ein linearer Wandler verwendet wird, der den Abstand W mißt.
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Aufgrund dieser Arbeitsprinzipien kann die Brücke auch auf andere Weisen verwendet
werden, wobei die Fähigkeit zur Messung des Abstands W ausgenutzt wird. Wenn die Probe
angetrieben wird, beispielsweise durch einen veränderlichen Luftdruck, kann die
magnetische Brückenanordnung als Manometer oder als Mikrophon verwendet werden. Wenn die
Probe S eine rotierende Welle mit einer Exzentrizität ist, wobei W den Abstand zwischen
der Probe und der Spaltfläche F darstellt, kann die Exzentrizität der Welle ohne weiteres
ermittelt werden. Wenn die Exzentrizität ausreichend asymmetrisch ist, kann die Brücke
weiterhin als Drehzahlmesser verwendet werden. Wenn die Probe S eine schwingende
Einrichtung ist und die Brücke unter einem durchschnittlichen Abstand W von dieser
schwingenden Einrichtung angeordnet ist, mißt die Brücke weiterhin die Beschleunigungsrate der
Einrichtung.
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Um Verwendungsverfahren und Anwendungsfälle der Brücke weiter zu erläutern kann
angenommen werden, daß die Probe S eine Metallzunge (metalreed) ist, die an dem gleichen
mechanischen Boden wie die Brücke angebracht ist. Wenn die gesamte Konfiguration dann in
Schwingungen versetzt wird, schwingt die Zunge nach einer gewissen Zeit in bezug auf den
Spalt mit der gleichen Rate wie die Antriebsfrequenz, und das Brückensignal gibt jetzt die
Frequenz an. Wenn der durch W dargestellte Zwischenraum mit einem Material gefüllt
wird, das andere elektrische Eigenschaften als die Probe hat, kann das Off-Null-Signal von
der Brücke so eingestellt werden, daß es die Dicke dieses Materials repräsentiert,
unabhängig davon, ob das Material nicht-leitend ist, wie beispielsweise eine Karbid-Schicht auf
einem
Werkzeug, oder leitend, wie beispielsweise die Ummantelung auf dem Kupfereinsatz
von Münzen. Durch eine geeignete Wahl der Frequenz kann die Brücke so vorgesehen
werden, daß sie die Tatsache "liest", daß eine Münze einen Auf- oder Eindruck (printing) hat,
was einer der grundlegenden Unterschiede zwischen echten Münzen und in höchstem Maße
unechten Münzen (die im allgemeinen "slugs" genannt werden) ist. Eine große Anzahl,
wenn nicht sogar die meisten unechten Münzen haben flache Seiten. Die abgesetzte Kante
einer echten Münze kann an dem Spalt registriert werden, so daß W der Luftzwischenraum
wird, der durch den Eindruck auf der Münze erzeugt wird. Unechte Münzen haben einen
solchen Eindruck gewöhnlicherweise nicht. Der Eindruck auf manchen Münzen hat häufig
einen unterschiedlichen Durchschnittswert W im Vergleich zu anderen Münzen mit im
wesentlichen den gleichen Abmessungen und elektrischer Leitfähigkeit. Die Auswahl
verschiedener Frequenzen kann sowohl einen Eindruck als auch eine Ummantelung angeben,
wobei ein mißbrauchssicherer Test für Münzen in einer automatischen Vorrichtung unter
Verwendung sehr billiger Schaltungselemente geschaffen wird.
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Die Einzel-Seiten-Brücke kann dazu verwendet werden, Fehler zu detektieren, wie
beispielsweise einen Zustand vor einem Riß und andere Eigenspannungen, Risse oder Brüche,
Oberflächenrisse, Fehlstellen, Metallermüdungen usw., in der in den Fig. 3A und 3B
dargestellten Weise. Die Brücke wird zunächst auf Null abgeglichen.
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Dann wird die Probe S bewegt. Wenn ein durch einen Riß f angedeuteter Fehler aufgetreten
ist, werden die Flußlinien in der Probe unterbrochen, wenn er sich innerhalb des Randfelds
befindet, wie es in Fig. 3B dargestellt ist, oder sie werden in einer Art und Weise verändert,
die die Phase und die Amplitude an dem Brückenausgang beeinflußt. Während sich die
grundlegenden physikalischen Eigenschaften der Flußbahnen zwischen eisenhaltigen und
nicht-eisenhaltigen Metallen unterscheiden, ist die Anzeige der Brücke jedoch die gleiche,
d.h. ein Off-Null-Signal bei der Gegenwart eines Risses, einer Leerstelle, eines Zustands
vor einem Riß oder einer Eigenspannung oder anderer anomaler Eigenschaften.
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Das magnetische Feld des in Fig. 3a gezeigten Ausführungsbeispiels tritt in die Probe ein
und verläßt diese senkrecht zu einer Ebene. Der Netto-Fluß durch eine derartige Ebene ist
Null, da der Fluß sowohl ein- als auch austritt. Aufgrund des Faraday'schen Gesetzes wird
kein zirkulierender (Wirbel-) Strom in dieser Ebene induziert. Ein in dieser Ebene
induzierter zirkulierender Strom würde sich über die Probenabmessungen ausbreiten, wie sich ein
derartiger zirkulierender Strom mit einer nicht modifizierten Brücke in Übereinstimmung
mit dem Zinke-Patent 3 534 253 ausbreitet. Die einzigen zirkulierenden Ströme, die in der
Probe S außerhalb des Bereichs in der Nähe des Einsatzes induziert werden können, müssen
senkrecht zu der oben diskutierten Ebene verlaufen. Diese zirkulierenden Ströme werden
durch den Skin-Effekt in ihrer Eindringtiefe von dieser Ebene begrenzt. Der Skin-Effekt
kann durch die Bedienungsperson der Brücke durch die Wahl der Frequenz des zeitlich
veränderlichen Signals gesteuert werden, das die Brücke antreibt, d.h. wie es an der Windung
WA1 anliegt. Das Volumen der zu untersuchenden Probe S ist somit auf Abmessungen
beschränkt, die durch die Größe des leitenden Metalleinsatzes und die Frequenz der Brücke
vorgegeben sind, was sich gegensätzlich zu dem Volumen verhält, das wie in dem
genannten Zinke-Patent 3 534 253 durch eine nicht modifizierte Brücke untersucht wird, die von
der Bedienungsperson in wesentlichen nicht gesteuert werden kann, mit Ausnahme der
Tiefe von der Oberfläche. Eine Einzel-Seiten-Brücke gemäß der vorliegenden Erfindung
gestattet es der Bedienungsperson, den Bereich einer z.B. nach Fehlern, Eindrücken usw. zu
untersuchenden Probe scharf zu begrenzen.
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Für Messungen sehr hoher Empfindlichkeit, bei denen sehr große Magnetfelder erwünscht
sind, d.h. wo es erwünscht ist, den Fluß in einem sehr kleinen Bereich zu konzentrieren,
kann ein Einsatz C, wie der aus der Fig. 4A, verwendet werden, der einen schmalen Schlitz
oder Spalt g hat, wobei die Basis des in dem Einsatz gezeigten Schlitzes gerade an den der
Probe gegenüberliegenden Punkt paßt, wenn die Pole und der Einsatz, wie in Fig. 4B
dargestellt, kombiniert werden.
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 5A und 5B ist ein Ausführungsbeispiel 20 einer
magnetischen Brücke dargestellt, die die Einzel-Seiten-Technik verwendet, wobei die Ferrit-Teile
der Brücke eine im allgemeinen H-förmige Konfiguration haben, um ein linkes
Brückenstück oder eine Hälfte 21 und eine rechte Hälfte oder ein Brückenstück 22 zu bilden, die an
gegenüberliegenden Seiten eines leitenden Metalleinsatzes C20 mit im allgemeinen
L-förmiger Konfiguration angeordnet sind. Der Einsatz kann beispielsweise aus Kupfer
sein, und die Brückenteile sind daran durch geeignete Klebemittel befestigt.
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Zur Vereinfachung wurden die verschiedenen Windungen auf dem Kern nicht dargestellt,
aber es versteht sich, daß sie in Übereinstimmung mit der vorstehenden Beschreibung und
der Lehre des Zinke-Patents 3 534 253, das H-förmige Teile, beispielsweise aus Ferrit,
offenbart, verwendet werden. Anstelle von Kupfer kann für den Einsatz C20 jeder Leiter oder
Supraleiter verwendet werden. In jedem Fall sind die Brückenabschnitte an einem oberen
Ende langgestreckt, um Polabschnitte 21, 21', 22' zur Probenauswertung zu bilden, die
äußere Ränder haben, die in einer Ebene 23 liegen, die ebenfalls mit dem oberen Rand des
Einsatzes C20 zusammenfällt. In der Draufsicht (wie sich aus Fig. 5B ergibt), hat der
Einsatz C20 eine relativ größere Breite als die entsprechenden Abschnitte der Brückenhälften
21, 22, wodurch Randabschnitte C201 und C20r geschaffen werden, die sich über die
entsprechenden Oberflächen der Brückenabschnitte 21, 22 hinaus erstrecken. Der Einsatz C20
ist mit einer oberen Verlängerung C20' versehen, die sich zwischen den oberen
Verlängerungen 21', 22' erstreckt und in ähnlicher Weise eine relativ größere Breite hat. Somit ist
zwischen den Brückenschenkelverlängerungen 21', 22' ein Spalt a zwischen den sich
aufwärts erstreckenden Brückenschenkelabschnitten 21', 22' vorgesehen. Der Spalt wird zur
Detektierung verwendet, während drei andere Spalte b, c und d in ähnlicher Weise über
entsprechende Abschnitte des Einsatzes C20 ausgebildet sind, um entsprechende magnetische
Bahnen für einen abgeglichenen Betrieb der Brücke zu schaffen. Im allgemeinen wird der
Probenauswertespalt a zur Detektierung verwendet, während die anderen Spalte b, c und d
für einen groben Nullabgleich der Brücke verwendet werden. Eine Detektierung findet
oberhalb der Ebene 23 statt, über die sich ein Rand- oder Streufeld im allgemeinen so
erstreckt, wie es in Fig. 5A dargestellt ist. Falls erwünscht, kann eine Stirnplatte aus
Aluminium um die sich nach oben erstreckenden Abschnitte 21', 22' und C20' herum angepaßt
werden, um eine geeignete Oberfläche zu bilden, über die Proben bewegt werden können, und
/oder zur Abschirmung der Brücke von unerwünschten Proben. Eine derartige Stirnplatte
kann dicht an den Umfang der Elemente 21', 22' und C20' angepaßt werden, und sie ist von
mindestens Teilen des Spalteinsatzes elektrisch isoliert. Eine derartige Anordnung kann
durch geeignete Klebemittel befestigt sein, wie beispielsweise durch Epoxidharze.
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Auf diese Weise wird eine Einzel-Seiten-Brücke gebildet, die einen Spalt a zur
Detektierung aufweist. Proben können über den Spalt a bewegt werden, wie es in den Fig. 2, 3A und
3B gezeigt ist. Es ist offensichtlich, daß die Oberfläche entlang des Spalts a vollständig
flach ist und, falls die Elemente 21' und 22' sich in eine Platte hineinerstrecken, wie es in
Fig. 6 entsprechend der oben beschriebenen Modifikation dargestellt ist, daß eine polierte
Oberfläche vorgesehen sein kann. Die Oberfläche des Spalts kann jedoch so geformt sein,
daß sie zu dem speziellen Aspekt der zu untersuchenden Probe paßt. Natürlich kann die
Dicke D des Einsatzes entsprechend des Verwendungszwecks der Brücke und des Materials
verändert werden.
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In Fig. 6 nimmt eine Stirnplatte 24, die eine Öffnung 24a hat, die
Brückenverlängerungsabschnitte 21', 22' und den Einsatzabschnitt C20' auf, der die genannten Abschnitte
voneinander trennt, um einen Spalt a zu bilden. In dieser Darstellungsweise sind die Dicken
übertrieben dargestellt, um eine Schicht aus Klebemittel, wie beispielsweise Epoxidharz, zu zeigen,
die bei 25 angedeutet ist, und die die Brückenabschnitte 21', 22' und den Spalteinsatz C20'
miteinander verbindet, und wobei die gesamte Anordnung dann in der Öffnung 24a durch
eine weitere Schicht 26 aus Klebemittel, wie beispielsweise wiederum von der Art eines
Epoxidharzes,befestigt ist. Die Epoxidharzschichten bilden außerdem eine elektrische
Isolierung, die als Mittel zur Bildung einer elektrischen Isolierung zwischen dem leitenden
Spalteinsatz und mindestens Teilen der Stirnplatte dient. Die Stirnplatte kann eine Wand
sein oder auf andere Weise ein Teil einer elektrisch leitenden Einfassung, die die
Brückenanordnung vollständig umgibt, um eine elektromagnetische Abschirmung zu bilden.
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In Fig. 8D hat ein Ausführungsbeispiel 37 der Brückenanordnung Polabschnitte 38a, 38b
und einen leitenden Einsatz C38, die äußere spaltbegrenzende Oberflächen haben, die alle
innerhalb einer zylindrischen Oberfläche liegen, um eine röhrenförmige Struktur 39 durch
eine Bewegung entlang ihrer Oberfläche auszuwerten, wie es durch einen Pfeil dargestellt
ist. Die Technik kann dazu verwendet werden, eine Schweißstelle 39' magnetisch zu
lokalisieren, die auf andere Weise nicht sichtbar wäre. Diese Ausführungsbeispiele deuten
lediglich verschiedene Anordnungskonfigurationen an, die eine nicht-lineare Pol- und
Einsatzgeometrie haben, um unterschiedlich geformte Proben mit nicht-linearen Oberflächen
auszuwerten.
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In derartigen Anwendungsfällen einer Einzel-Seiten-Brücke, wie sie hier beschrieben sind,
werden Daten-"Signaturen" in dem Ausgangsabschnitt der Brücke gefühlt, die ausreichend
eindeutig sind, um die Identifizierung und Charakterisierung einer Defekt-Morphologie in
Metallproben sowie eines Lift-Offs der Brücke zu gestatten. Eine Kombination von
Abtastmustern ist durch die Verwendung von Brücken gemäß der Erfindung erhältlich, um eine
derartige "Signatur" zu schaffen, wie durch die Messung von Veränderungen des
Brückenausgangs in der Gegenwart eines Fehlers oder eines Lift-Offs der Probe, wie es
beispielsweise durch die elektrischen Parameter (z.B. Widerstand oder Kapazität) gemessen wird, die
notwendig sind, um die Brücke bei bestimmten Frequenzen wieder auf Null abzugleichen
(re-null), oder durch eine Messung der Amplitude und der Phase in dem Ausgangsabschnitt.
Die Veränderung derartiger Parameter mit einem Translationsabstand irgendeiner dieser
Variablen kann als derartiges "Abtastmuster" bezeichnet werden. Unter den verschiedenen
Arten von Mustern, die von der Brücke dieser Erfindung gebildet werden, sind die
folgenden:
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a. Eine zentrale Spitze, die hauptsächlich auf Oberflächenbedingungen der Probe zu
reagieren scheint.
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b. Satellitenspitzen, die hauptsächlich auf Bedingungen unterhalb der Oberfläche zu
reagieren scheinen.
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c. Eine richtungsabhängige Reaktion auf den Winkel zwischen der Abtastung und dem
Fehler, die auf der Basis der Breite der zentralen Spitze erzeugt werden kann.
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d. Individuelle Abtastmuster für Amplituden und Phasen der fundamentalen und
harmonischen Frequenzen, die durch das Eingangssignal auf die Brücke aufgeprägt
werden.
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e. Individuelle Abtastmuster für Amplituden und Phasen der Harmonischen, die in der
Probe erzeugt werden.