DE69113882T2 - Wirbelstromgerät zum Feststellen von Fehlern. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wirbelstrom- Fehlererfassungsvorrichtung zur Erfassung von Fehlern oder verunreinigenden Fremdmaterials in Metallgliedern.
• Bei den Herstellungsvorgängen von Kupferdrähten oder dergleichen kann das Vorliegen verunreinigenden Fremdmaterials wie einem Stück Eisen oder dergleichen innerhalb des Kupferdrahtmaterials oder eines Fehlers in diesem Material zu einem Abriß während des Vorganges des Drahtziehens führen. Aus diesem Grund ist es notwendig, zu bestimmen, ob Fremdstoffe oder Fehler oder dergleichen vorliegen vor dem Vorgang des Drahtziehens. Wirbelstrom- Fehlererfassungsvorrichtungen werden offenbart in EP-A- 0107844, EP-A-0315887 und JP-A-61292548.
• Konventionell wird bei dieser Art der Erfassung eine Wirbelstrom-Fehlererfassungsvorrichtung, wie in den Figuren 6 bis 8 abgebildet, verwendet. Die Bezugsziffer 1 bezeichnet einen laufenden Leiter; Erfassungsspulen La und Lb, welche koaxial zu dem Leiter 1 angeordnet sind und nicht mit dem Leiter 1 in Berührung stehen, sind getrennt angeordnet. Die Erfassungsspulen La und Lb sind verbunden, um so die zwei Seiten einer Wechselstrom-Brückenschaltung zu bilden, und in dem Fall, in welchem in dem durch die Erfassungsspulen La und Lb laufenden Leiter kein Fehler ist, wir das Ausgangssignal zwischen den Anschlüssen a und b so eingestellt, um ein Nullgleichgewicht zu haben.
• In Übereinstimmung mit dieser Vorrichtung ändert sich in dem Fall, wo ein Fehler oder Fremdmaterial durch die Erfassungsspulen La und Lb läuft, der Wirbelstrom innerhalb des Leiters 1, eine Differenz tritt auf in den Induktivitäten der Erfassungsspulen La und Lb und das Nullgleichgewicht wird gestört, so daß ein Ausgangssignal erzeugt wird zwischen den Anschlüssen A und B und es ist möglich, auf der Grundlage dieses Signals die Erfassung von Fehlern oder Fremdmaterials durchzuführen.
• Eine Struktur, in welche die Erfassungsspulen La und Lb auf differenzielle Weise verbunden sind, so daß die Richtungen ihrer Magnetfelder gegenphasig sind, wie durch die Pfeile in Figur 8 gezeigt, ist einer Struktur vorzuziehen, in welcher die Erfassungsspulen La und Lb in einer akkumulierten Weise verbunden sind, so daß die Richtungen ihrer Magnetfelder in Phase sind, wie durch die Pfeile in Figur 7 gezeigt.
• Wenn diese Art der differenziellen Verbindung verwendet wird und wenn z.B. der Leiter 1 exzentrisch wird innerhalb der Erfassungsspulen La und Lb oder die Zusammensetzung des Leiters 1 sich ändert und Rauschsignale in den Erfassungsspulen La und Lb erzeugt werden, löschen sich diese Rauschsignale aus, die Rauschkomponente des Ausgabesignales wird vermindert und das Signalrauschverhältnis kann erhöht werden.
• In der oben beschriebenen Wirbelstrom- Fehlererfassungsvorrichtung erzeugen jedoch die Erfassungsspulen La und Lb normalerweise entgegengerichtete Magnetfelder, so daß diese Magnetfelder sich abstoßen und es ist schwer für die Magnetfelder, hinreichend in das Innere des Leiters 1 einzudringen, so daß die partielle Erfassungsempfindlichkeit vermindert wird. Im Ergebnis ist es schwierig, in Fällen, wo kleine Fehler oder kleine Mengen Fremdmaterials sich in einer Position nahe des axialen Zentrums der Spule befinden, diese zu erfassen.
• Im Hinblick auf das obige ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Wirbelstrom- Fehlererfassungsvorrichtung zu schaffen, welche in der Lage ist, kleine Fehler oder kleine Mengen Fremdmaterials mit einer hohen Abnormalitäts-Erfassungsempfindlichkeit zu erfassen.
• Um die oben beschriebene Aufgabe zu erfüllen, schafft die vorliegende Erfindung eine Wirbelstrom- Fehlererfassungsvorrichtung, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sie umfaßt:
• eine Wechselstrom-Brückenschaltung, welche ein Paar von Erfassungsspulen hat, welche auf getrennte Weise entlang eines Durchgangspfades eines Leiters und koaxial zu dem Durchgangspfad des Leiters angeordnet sind, wobei die von den Erfassungsspulen zu erzeugenden Magnetfelder gegenphasig sind, und welche ein Abnormalitäts-Erfassungssignal ausgibt, wenn eine relative Änderung auftritt in den Induktivitäten der Erfassungsspulen und das Gleichgewicht der Brücke somit gestört wird;
• ein Paar von Resonanzspulen, welche zwischen den Erfassungsspulen und koaxial zu diesen angeordnet sind, und deren Magnetfelder in Phase sind, und welche so eingestellt sind, daß in einem Zustand, wo die Brücke im Gleichgewicht ist, die Induktionsströme, welche durch die Resonanzspulen erzeugt werden, sich auslöschen; und eine Kapazitätsschaltung, welche mit den Resonanzspulen verbunden ist, um so eine Resonanzschaltung zu bilden.
• In dieser Wirbelstrom-Fehlererfassungsvorrichtung sind in dem Zustand, in welchem keine Fehler oder Fremdmaterial in dem Leiter vorliegen, die mittels elektromagnetischer Induktion der Erfassungsspulen in den Resonanzspulen erzeugten Induktionsströme gegenphasig, und ihre elektrischen Stromwerte sind gleich, so daß diese Induktionsströme sich auslöschen und keine Resonanz auftritt.
• Andererseits, in einem Fall, in welchem sich ein Fehler oder sich Fremdmaterial innerhalb des Leiters befindet, gibt es eine gewisse Ungleichmäßigkeit innerhalb der von den Erfassungsspulen erzeugen Magnetfeldern, so daß eine Differenz erzeugt wird in den Induktionsstromwerten, welche von den Resonanzspulen erzeugt werden, und es fließt ein dieser Differenz entsprechender elektrischer Strom, und die Resonanzspulen resonieren. Hierdurch ändert sich die Induktion der Erfassungsspulen noch weiter und das Gleichgewicht der Wechselstrom-Brückenschaltung wird gestört, so daß es möglich wird, die Erfassungsempfindlichkeit für abnormale Signale zu erhöhen im Vergleich zu der konventionellen Vorrichtung.
• Die anderen Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung werden verständlich werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
• Figur 1 ist ein Schaltbild, welches einen Überblick über die Struktur einer Wirbelstrom-Fehlererfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gibt.
• Figur 2 ist ein Schaltbild, welches ein Beispiel einer Kapazitätsschaltung in der gleichen Vorrichtung zeigt.
• Figuren 3 und 4 zeigen den Betrieb der gleichen Vorrichtung.
• Figur 5 ist ein Überblicksdiagramm, welches eine weitere bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
• Figur 6 ist ein Überblicksdiagramm, welches eine konventionelle Wirbelstrom-Fehlererfassungsvorrichtung zeigt.
• Figuren 7 und 8 sind Erklärungsdiagramme, welche die Problempunkte in der konventionellen Vorrichtung zeigen.
• Figur 1 ist ein Schaltbild, welches eine bevorzugte Ausführung einer Wirbelstrom-Fehlererfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt; eine Erfassungsspule L1, eine Resonanzspule L2, eine Resonanzspule L3, und eine Erfassungsspule L4 sind in dieser Reihenfolge entlang eines Leiters 1 angeordnet, welcher sich von einem in dem Diagramm nicht abgebildeten vorherigen Prozeß herbewegt, und sind koaxial zu diesem Leiter, und mit dazwischenliegenden Lücken in dessen axialer Richtung.
• Die Erfassungsspulen L1 und L2 sind identisch mit jenen in der konventionellen Vorrichtung; sie umfassen zusammen iait zwei Widerständen R1 und R2 eine Wechselstrom- Brückenschaltung 3. Die Erfassungsspulen sind differenziell verbunden, so daß ihre Magnetfelder gegenphasig sind. Der Widerstand von R1 und R2 und die Induktivität von L1 und L2 sind so bestimmt, daß die Wechselstrom-Brückenschaltung 3 in einen Nullgleichgewichtszustand eingestellt wird und kein Signal erzeugt zwischen den Knoten A und B wird, wenn in dem Leiter 1 keine Abnormalität vorliegt.
• Andererseits sind die Resonanzspulen L2 und L3 identisch; sie sind kumulativ verbunden, so daß ihre Magnetfelder in Phase sind. Diese Resonanzspulen L2 und L3 sind in Serie verbunden mit der Kapazitätsschaltung 4, um so eine Resonanzschaltung zu bilden. In einem Fall, in welchem es keine Abnormalität gibt in dem Leiter 1, ist der mittels der elektromagnetischen Induktion der Erfassungsspule L1 in der Resonanzspule L2 erzeugte Induktionsstrom und der mittels der elektromagnetischen Induktion der Erfassungsspule L4 in der Resonanzspule L3 erzeugte Induktionsstrom gleichphasig und haben gleiche elektrische Stromwerte, so daß sie so eingestellt sind, daß sie sich gegenseitig auslöschen.
• Ein Oszillator 21, eine Phasenschieberschaltung 22, ein Leistungsverstärker 23 und ein Transformator 24 sind vorgesehen, um eine Wechselstromquelle 2 zu bilden, welche die Wechselstrom-Brückenschaltung 3 mit Leistung versorgt. Der Oszillator 21 erzeugt zwei periodische Signale P1 und P2, welche die gleiche Winkelfrequenz ω haben, und die Winkelphase von P2 ist gegenüber jener von P1 um π/2 verschoben. Die Phasenschieberschaltung 22 hat ein Betriebsglied, z.B. einen Lautstärkeregler. Das Ausgabesignal P des Oszillators 21 wird der Phasenschieberschaltung 22 zugeführt, um ein Signal zu erhalten, welches eine Phase hat, die verschoben ist von der Phase des Signals P um einen Phasenverschiebungswert, welcher dem Betrieb des Betriebsgliedes entspricht. Der Phasenverschiebungswert kann eingestellt werden in einem Bereich von 0 bis π durch den Betrieb des Betriebsgliedes. Das Ausgabesignal der Phasenschieberschaltung 22 wird in dem Leistungsverstärker 23 verstärkt. Das Ausgabesignal des Leistungsverstärkers 23 wird zu einem Anschluß einer Eingabespule des Transformators 24 geführt. Der andere Anschluß der Eingabespule istgeerdet. Eine Ausgabespule des Transformators 24 ist verbunden zwischen Knoten C und D der Wechselstrom-Brückenschaltung 3.
• Widerstände 31 bis 34 und ein Operationsverstärker 35 sind vorgesehen, um einen Differenzverstärker 30 zu bilden, welcher die Spannung zwischen den Knoten A und B der Wechselstrom-Brückenschaltung 3 verstärkt. Das Ausgabesignal des Differenzverstärkers 30 wird einem Pufferverstärker 40 zugeführt, um ein Erfassungssignal zu erhalten.
• Zwei Phasenerfassungsschaltungen 50 und 60, welche die gleiche Funktion und Charakteristik haben, sind vorgesehen. Das periodische Signal P1 und das Erfassungssignal S werden jeweils ersten und zweiten Eingabeanschlüssen der Phasenerfassungsschaltungen 50 zugeführt. Ähnlich wird das periodische Signal P2 und das Erfassungssignal S jeweils ersten und zweiten Eingabeanschlüssen der Phasenerfassungsschaltungen 60 zugeführt. Jede Phasenerfassungsschaltung erfaßt eine gleiche Phasenkomponente, welche synchronisiert ist mit dem Eingabesignal des ersten Eingabeanschlusses, aus dem Eingabesignal des zweiten Eingabeanschlusses. Zwei Tiefpaßfilter 70 und 80 sind vorgesehen, um höhere harmonische Komponenten aus den Ausgabesignalen der Phasenerfassungsschaltungen 70 und 80 abzuschneiden. Die Ausgabesignale der Tiefpaßfilter 70 und 80 werden jeweils X- Achsen- und Y-Achsen-Eingabeanschlüssen eines Oszilloskopes (nicht abgebildet) zugeführt.
• Als nächstes ist Figur 2 ein Schaltbild, welches ein konkretes Beispiel der Kapazitätsschaltung 4 zeigt; diese Kapazitätsschaltung 4 umfaßt primär zwei Operationsverstärker 5 und 6, variable Widerstände 7 und 8, und den Kondensator 9. Mittels der Einstellung des variablen Widerstandes 7 ist es möglich, die Resonanzfrequenz der durch die Resonanzspulen L2 und L3 und der Kapazitätsschaltung 4 gebildeten Resonanzschaltung einzustellen, und es ist andererseits möglich, mittels der Einstellung des variablen Widerstandes 8 den Resonanz-Q-Wert (Güte) der Resonanzschaltung einzustellen.
• Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Schaltung der Figur 2 beschränkt; es ist auch möglich, die Kapazitätsschaltung aufzubauen mittels einfacher Kondensatoren oder Kondensatoren mit variabler Kapazität und es ist auch erlaubt, die Schaltung auf geeignete Weise zu verändern, wenn dies notwendig ist.
• In der Wirbelstrom-Erfassungsvorrichtung, welche die obige Struktur hat, in dem Fall, wo es keinen Fehler oder kein Fremdmaterial in dem Leiter 1 gibt, sind die Induktionsströme, welche von den Resonanzspulen L2 und L3 mittels der elektromagnetischen Induktion von den Erfassungsspulen L1 und L4 erzeugt werden, gegenphasig und ihre Stromwerte sind gleich, so daß diese Induktionsströme sich gegenseitig auslöschen und keine Resonanz auftritt.
• Durchläuft jedoch ein Fehler oder Fremdmaterial des Leiters 1 die Erfassungsspule L1, dann verändert sich die Induktivität der Erfassungsspule L1. Im Ergebnis wird eine Ungleichmäßigkeit erzeugt in den Magnetfeldern der Erfassungsspulen L1 und L2, so daß eine Differenz auftritt in den Induktionsströmen, welche durch die Resonanzspulen L2 und L3 erzeugt werden, und es fließt ein dieser Differenz entsprechender Wechselstrom, und die Kapazitätsschaltung 4 und die Resonanzspulen L2 und L3 resonieren. Wenn dies auftritt, erhöht sich als Ergebnis hiervon die Induktivität der Erfassungsspule L1 noch weiter. Als Ergebnis wird das Gleichgewicht der Wechselstrom-Brückenschaltung 3 gestört, so daß ein Signal erzeugt wird zwischen den Knoten A und B. Dieses Signal wird verstärkt durch den Differenzverstärker 30 und den Pufferverstärker 40, um ein Erfassungssignal zu erhalten. Der ähnliche Vorgang tritt auf, wenn der Fehler oder das Fremdmaterial des Leiters 1 durch die Erfassungsspule L4 läuft.
• Das Erfassungssignal beinhaltet eine Erfassungskomponente S und ein Rauschsignal N. Die Erfassungskomponente S wird erzeugt als Antwort auf die Veränderung der Impedanz der Erfassungsspule L1 oder L4. Figur 3 zeigt die Veränderung der Impedanz der Erfassungsspule. In dem Fall, wo die Resonanzspule L2 und L3 nicht verwendet werden, wird die Impedanz Z der Erfassungsspule gebildet durch ihren Widerstand R und ihre Reaktanz ωL, worin die Tnduktanz L eine intrinsische Induktanz der Erfassungsspule enthält und eine Induktanz enthält, welche erzeugt wird durch den Durchgang des Fehlers oder Fremdmaterials. In dem Fall, wo die Resonanzspulen L2 und L3 verwendet werden, erhöht sich die Induktanz der Erfassungsspule von L auf L+ΔL zum Beispiel. Dementsprechend ändert sich die Impedanz der Erfassungsspule von Z auf Za und das Argument der Impedanz erhöht sich von φ = tan&supmin;¹(ωL/R) auf φa = tan&supmin;¹{ω(L+ΔL)/R}.
• Figur 4 zeigt ein Beispiel einer Erfassungskomponente S und eines Rauschsignales N, welche in dem Erfassungssignal enthalten ist. Die Phase der Erfassungskomponente S ist verschoben von jener des Rauschsignales N um einen Winkel φa', welcher abhängt von φa. Das so erhaltene Erfassungssignal S+N wird den Phasenerfassungsschaltungen 50 und 60 zugeführt. Komponenten, welche synchronisiert sind mit dem periodischen Signal P1 werden aus dem Erfassungssignal S+N durch die Phasenerfassungsschaltung 50 erfaßt. Ähnlich werden Komponenten, welche synchronisiert mit dem periodischen Signal P2 von der Phasenerfassungsschaltung 60 erfaßt. Die Ausgabesignale der Phasenerfassungsschaltungen 50 und 60 werden den X-Achsen- und Y-Achsen-Eingabeanschlüssen des Oszilloskops über Tiefpaßfilter 70 und 80 zugeführt. Dies führt dazu, daß Vektoren, welche jeweils der Erfassungskomponente S und dem Rauschsignal N entsprechen, auf dem Oszilloskop in unterscheidbarer Weise dargestellt werden, z.B. wie in Figur 4 gezeigt. Vor der Ausführung der Erfassung von Fehlern oder Fremdmaterials stellt ein Bediener den Phasenverschiebungswert der Phasenschieberschaltung 22 so ein, daß der Vektor des Rauschsignales S entlang der X-Achse oder Y-Achse dargestellt wird. Durch diese Einstellung kann die Erfassungskomponente S leicht unterschieden werden von dem Rauschsignal N.
• In der oben beschriebenen bevorzugten Ausführung ist es möglich, die Erfassungskomponente S des Erfassungssignales mit einem größeren Maß an Empfindlichkeit zu erhalten, als jene von konventionellen Vorrichtungen, und es ist somit möglich, die Erfassungsempfindlichkeit bezüglich von Fehlern oder Fremdmaterials in dem Leiter 1 zu verbessern.
• Ferner wird der Grad der Trennung der Erfassungsspulen L1 und L4 erhöht als Ergebnis der Vorsehung der Resonanzspulen L2 und L3, so daß das Auslöschen der Magnetfelder der Erfassungsspulen L1 und L4 reduziert wird, und es ist somit möglich, die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu erhöhen.
• Zusätzlich verändern sich in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, wenn das Material oder die Dimension des Durchmessers des Leiters 1 sich verändern, die Induktivitäten der Resonanzspulen L2 und L3 und die Resonanzfrequenz ändert sich; in der vorliegenden Ausführung jedoch ist es mittels der Einstellung des variablen Widerstandes 7 der Kapazitätsschaltung 4 möglich, die Resonanzfrequenz der durch die Kapazitätsschaltung 4 und die Resonanzspulen L2 und L3 gebildeten Resonanzschaltung einzustellen, und es ist möglich, auf einfach Weise die Resonanzfrequenz in Übereinstimmung zu bringen mit der Wechselstromquelle.
• Zusätzlich ist es mittels der Einstellung des variablen Widerstandes 8 möglich, den Resonanz-Q-Wert einzustellen, so daß es möglich ist, die Q-Werte des durch die Resonanzspulen L2 und L3 und die Kapazitätsschaltung 4 gebildete Resonanzschaltung im Resonanzzustand zu ändern und die Abnormalitäts-Erfassungsempfindlichkeit auf einen optimalen Wert einzustellen.
• In der vorliegenden bevorzugten Ausführung war der Leiter 1 so angeordnet, daß er durch die Spulen L1, L2, L3, und L4 lief; statt dessen ist jedoch eine Struktur zulässig, in welcher die Spulen L1, L2, L3 und L4 eingeschlossen sind in einem Gehäuse 10 auf eine koaxiale Weise, wie in Figur 5 gezeigt, wodurch ein Meßelement gebildet wird. In diesem Fall wird die Nähe der Oberfläche des Leiters 1 abgetastet mittels dieses Meßelements und die Abnormalitäten in dem Leiter 1 werden so erfaßt.

Claims (5)

1. Wirbelstrom-Fehlererfassungsvorrichtung, gekennzeichnet durch:

eine Wechselstrom-Brückenschaltung (L1, L4, R1, R2), welche ein Paar von Erfassungsspulen (L1, L4) hat, welche getrennt angeordnet sind entlang eines Durchgangspfades eines zu untersuchenden Leiters (1), wobei die von den Erfassungsspulen zu erzeugenden Magnetfelder gegenphasig sind, und Ausgaben (A, B) für ein Abnormalitäts-Erfassungssignal, wenn eine relative Änderung auftritt in den Induktivitäten der Erfassungsspulen und das Gleichgewicht der Brücke somit gestört ist;

ein Paar von Resonanzspulen (L2, L3), welche zwischen den Erfassungsspulen (L1, L4) und koaxial zu den Erfassungsspulen angeordnet sind, wobei die von den Resonanzspulen (L2, L3) zu erzeugenden Magnetfelder in Phase sind, und welche so eingestellt sind, daß in einem Zustand, in welchem die Brücke im Gleichgewicht ist, die durch die Resonanzspulen erzeugten Induktionsströme sich gegenseitig auslöschen; und

eine Kapazitätsschaltung (4), welche verbunden ist mit den Resonanzspulen (L2, L3), um so eine Resonanzschaltung zu bilden.

2. Wirbelstrom-Fehlererfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit Anspruch 1, in welcher die Kapazitätsschaltung vorgesehen ist mit:

Frequenzeinstellungsmitteln (7) zur Einstellung von Resonanzfrequenzen der Resonanzschaltung.

3. Wirbelstrom-Fehlererfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit Anspruch 1, in welcher die Kapazitätsschaltung ausgestattet ist mit:

Q-Wert-Einstellungsmitteln (8) zur Einstellung des Resonanz-Q-Wertes der Resonanzschaltung.

4. Wirbelstrom-Fehlererfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit Anspruch 1, ferner umfassend:

eine Wechselstromquelle (23) zur Erzeugung erster und zweiter periodischer Signale, welche die gleiche Winkelfrequenz haben, und wobei der Phasenwinkel eines Signales gegenüber dem anderen um π/2 verschoben ist, eines von welchen der Wechselstrom-Brückenschaltung zugeführt wird;

ein Differenzverstärker (30) zur Verstärkung eines zwischen zwei Knoten der Wechselstrom-Brückenschaltung erzeugten Signals, um ein Erfassungssignal zu erhalten;

eine erste Phasenerfassungsschaltung (50) zur Erfassung eines X-Achsen-Komponentensignals, welches synchronisiert ist mit dem ersten periodischen Signal und enthalten ist in dem Erfassungssignal; eine zweite Phasenerfassungsschaltung (60) zur Erfassung eines Y-Achsen-Komponentensignals, welches synchronisiert ist mit dem zweiten periodischen Signal und enthalten ist in dem Erfassungssignal; und

eine Anzeigevorrichtung zum Anzeigen des Vektors des Erfassungssignales auf der Grundlage der X-Achsen- und Y-Achsen-Komponentensignale.

5. Wirbelstrom-Fehlererfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit Anspruch 4, ferner umfassend:

Phaseneinstellmittel (22) zur Einstellung der Phase des periodischen Signals, welches der Wechselstrom- Brückenschaltung zugeführt wird.