DE69404650T2 - Spannungsmessung - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Spannung bzw. mechanischer Spannung in einem ferromagnetischen Material.
• Stahl, der ein ferromagnetisches Material darstellt, wird in großem Umfang als Bau- bzw. Konstruktionsmaterial verwendet. Um die Sicherheit eines Bauwerks bzw. Aufbaus zu beurteilen, wäre es wünschenswert, wenn man nicht nur in der Lage wäre, Fehler bzw. Defekte zu detektieren (z.B. unter Verwendung von Ultraschall), sondern auch die Spannung in dem Material zu messen, z.B. die Spannung um einen Fehler bzw. Materialfehler herum, die sich auf das wahrscheinliche Verhalten des Fehlers auswirkt. Folglich wäre eine verläßliche, nichtdestruktive Art und Weise wünschenswert, die gesamte Spannung zu messen (einschließlich restlicher bzw. eigener, angelegter, statischer und dynamischer Komponenten). Von einer Vielzahl von magnetischen Techniken ist bekannt, daß sie eine gewisse Empfindlichkeit für Spannung aufweisen, z. B. magneto-akustische Emission, Barkhausen-Emission, Koerzitivkraft bzw. Koerzitivfeldstärke, spannungsinduzierte magnetische Anisotropie, richtungsabhängige effektive Permeabilität oder Permeabilitätszuwachs über einen vollständigen magnetischen Zyklus, obwohl magnetische Messungen gewöhnlich auch von anderen Materialeigenschaften, wie z.B. der Mikrostruktur bzw. dem Feinstgefäge beeinflußt werden. Zum Beispiel lehrt die Druckschrift EP-A-0 389 877 (Nikkoshi), daß Spannung in Stahl aus der reversiblen magnetischen Permeabilität bei der Annäherung an die Sättigung bestimmt werden kann; es steht dort auch, daß die Verwendung der Variationen in der magnetischen Permeabilität zur Bestimmung der Hauptspannungen es einem nicht ermöglicht, reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Ultraschallmessungen, Röntgenstreuung und Neutronenstreuung kann auch Aufschluß über das Feinstgefüge und/oder die Spannung geben. Es ist auch vorgeschlagen worden, z.B. in den QT News, November 1992, daß eine Kombination von magnetischen Techniken es einem ermöglichen könnte, die Wirkungen von Rest- bzw. Eigenspannung zu isolieren.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Messung von Spannung in einem ferromagnetischen Material geschaffen, wobei das Verfahren einen Meßfühler verwendet, der eine Elektromagneteinrichtung umfaßt, die einen Elektromagnetkern und zwei mit Zwischenraum angeordnete Elektromagnetpole vorgibt, einen ersten Magnetsensor zwischen den zwei Polen und angeordnet, um die magnetische Induktion bzw. Magnetflußdichte senkrecht zu der Richtung des Freiraum-Magnetfeldes zwischen den Polen zu messen, einen zweiten Magnetsensor, angeordnet, um den magnetischen Widerstand bzw. die Reluktanz des Teils des Magnetkreises zwischen den Polen der Elektromagneteinrichtung zu messen, und eine Einrichtung, um ein wechselndes Magnetfeld in der Elektromagneteinrichtung zu erzeugen, welches Verfahren darin besteht, daß der Meßfühler mit den Polen anliegend an eine Stelle auf einer Oberfläche des ferromagnetischen Materials angeordnet wird, daß ein wechselndes Magnetfeld in der Elektromagneteinrichtung und dadurch auch in dem ferromagnetischen Material erzeugt wird, das mit einer Maximalamplitude weit unterhalb einer magnetischen Sättigung wechselt, daß der Meßtuhler so gedreht wird, daß das wechselnde Magnetfeld in dem ferromagnetischen Material in Folge eine Anzahl von verschiedenen Orientierungen aufweist, daß die Signale von dem ersten Sensor mit dem Magnetfeld in der Anzahl von verschiedenen Orientierungen gemessen werden, daß aus den Orientierungen des Magnetfeldes, bei denen die Maxima und Minima der Signale von dem ersten Sensor auftreten, die Richtungen der Hauptspannungsachsen bestimmt werden, daß die Signale von dem zweiten Sensor zumindest dann gemessen werden, wenn das Magnetfeld mit den Richtungen der Hauptspannungsachsen ausgerichtet ist, daß die Signale von dem zweiten Magnetsensor verarbeitet werden, indem sie von Signalen abgezogen werden, die denjenigen von dem Sensor gleich sind, wenn sich der Meßfühler in der Nähe einer spannungsfreien Stelle befindet, um dann diejenige Komponente des Signals aufzulösen, die in der Impedanzebene bzw. komplexen Widerstandsebene senkrecht zu der Wirkung eines Abhebens bzw. "Lift-offs" von der Oberfläche steht, und daß die Werte der aufgelösten Komponente, bei der das Magnetfeld mit den Richtungen der Hauptspannungsachsen ausgerichtet ist, dazu verwendet werden, um die Werte der Hauptspannungen an dieser Stelle in dem Material zu bestimmen.
• Der erste Sensor würde kein Signal detektieren, falls das Material völlig isotrop bzw. richtungsunabhängig wäre; jedoch induziert eine Spannung bzw. Belastung eine Anisotropie bzw. Richtungsabhängigkeit in den magnetischen Eigenschaften des Materials, und so sind die Signale, die von dem ersten Sensor erhalten werden, ein Maß für diese spannungsinduzierte magnetische Anisotropie (SMA). Die Veränderungen in dem SMA-Signal, während die Probe rotiert wird, ermöglichen es einem, die Richtungen der Hauptspannungsachsen genau zu bestimmen. Der erste Sensor ist vorzugsweise eine erste Meßspule und das gemessene Signal kann die induzierte Spannung bzw. elektromotorische Kraft (emf) sein, die in der ersten Meßspule induziert wird. Die Verwendung einer magnetischen Messung dieser Art wird in WO 89/01613 (Langman) beschrieben.
• Der zweite Sensor mißt den magnetischen Widerstand bzw. die Reluktanz desjenigen Teils des Magnetkreises zwischen den Polen und sorgt so für ein Maß für die Permeabilität des Materials, durch welches der Magnetfluß hindurchgeht. Während der Meßfühler gedreht wird, schafft dieser Sensor folglich ein Signal, das für die effektive Permeabilität des Materials in verschiedenen Richtungen steht: dies wird als die richtungsabhängige effekte Permeabilität (DEP) bezeichnet. Der zweite Sensor ist vorzugsweise eine zweite Meßspule und ist vorzugsweise auf den Kern des Elektromagneten gewickelt. In diesem Fall betreffen die Signale von der Spule den magnetischen Widerstand des gesamten Magnetkreises. Der gemessene Parameter könnte die Impedanz bzw. der Scheinwiderstand der Spule sein. Das wechselnde magnetische Feld wird vorzugsweise von einer Spule erzeugt, welche die zweite Meßspule sein könnte, aber vorzugsweise eine separate Spule ist, weil dies einem ermöglicht, ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erzielen, und in diesem Fall ist der gemessene Parameter vorzugsweise die induzierte Spannung (emf). Alternativ dazu könnte der zweite Sensor zwischen den Polen angeordnet sein, um die Magnetflußdichte parallel zu dem Magnetfeld im freien Raum zu messen; die Flußdichte nnnmt in diesem Fall ab, wenn die Permeabilität zunimmt. Die DEP-Signale erlauben es einem, die Werte der Spannung zu bestimmen; diese Bestimmung setzt die SMA- Signale voraus, um die Spannungsachsen genau anzugeben, und könnte die SMA- Signale auch verwenden, um die Werte der Hauptspannungen zu bestimmen.
• Bevor DEP-Messungen durchgeführt werden, wird die Probe auf einen Oberflächenbereich aufgesetzt, wo die Spannung vernachlässigbar ist (oder zu irgendeinem Wert bekannt) und der Wert des Signals wird dann abgezogen, um ein Nullsignal zu geben. Die kleinen DEP-Änderungen aufgrund von Spannung lassen sich dann einfacher messen.
• Die DEP-Signale können als eine Komponente aufgelöst werden, die sich in Phase mit dem Strom befindet, der das wechselnde Feld erzeugt, und als eine Komponente in Quadratur bzw. mit 90º Phasenverschiebung dazu; diese Komponenten entsprechen dem Widerstand und dem Blindwiderstand in der Impedanzebene bzw. komplexen Widerstandsebene. Falls die Lücke zwischen der Oberfläche und dem Meßfühler (das "Abheben" bzw. der "Lift-off") variiert, hat dies einen Einfluß auf die DEP-Signale. Diese Veränderung entspricht einer Richtung in der Impedanzebene, orientiert in einer Richtung, die als der "Lift-off"-Winkel bezeichnet wird. Folglich ist, um störende Einflüsse aufgrund von Veränderungen in dem "Lift-off" zu vermeiden, das Ausgangs-DEP-Signal dasjenige Signal, das in einer Richtung im rechten Winkel zu der "Lift-off"-Richtung in der Impedanzebene bzw. komplexen Widerstandsebene aufgelöst wird. Sowohl der Null-abgleich als auch die "Lift-off"- Initialisierung muß durchgeführt werden, bevor Messungen vorgenommen werden können.
• Die Elektromagneteinrichtung kann einen C- oder U-förmigen Kern aus laminiertem Transformatorstahl umfassen (z.B. körniger, orientierter Siliziumstahl). Andere Materialien kann man sich zueigen machen, solange sie eine gute magnetische Permeabilität und eine ausreichend hohe magnetische Sättigung bzw. Sättigungsmagnetisierung aufweisen, wie z.B. Muntz-Metall. Eine Spule wird um den Kern gewickelt und mit einer geeigneten Wechselstromquelle verbunden. Wie zuvor angedeutet wurde, könnte diese Spule als der zweiten Sensor verwendet werden, weil ihre Impedanz sich mit der Permeabilität des zu untersuchenden Materials ändert. Man kann jedoch eine bessere Empfindlichkeit erreichen, indem man zwei Spulen auf den Kern wickelt, von denen eine mit der Stromversorgung verbunden ist und die andere als der zweite Sensor betrieben wird; diese Anordnung bietet ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Im Einsatz wechselt das magnetisierende Feld aufgrund des Stroms, wobei das zu untersuchende Material durch kleine Hystereseschleifen mit einer maximalen Amplitude (typischerweise einige A/cm) weit unterhalb der magnetischen Sättigung getrieben wird. Die Betriebsfrequenz beträgt zweckmäßigerweise zwischen 50 Hz und 1000 Hz und vorzugsweise zwischen 100 Hz und 500 Hz. Je niedriger die Frequenz, desto größer ist die effektive Eindringtiefe der magnetischen Veränderungen unterhalb der Oberfläche.
• Die Größe des Meßfühlers ist wünschenswerterweise klein; z.B. könnte er in ein zylindrisches Gehäuse mit einem äußeren Durchmesser von weniger als 50 mm passen, vorzugsweise von weniger als 20 mm. Dies macht eine gute räumliche Auflösung möglich (weil die magnetischen Eigenschaften effektiv über den Bereich des Meßfühlerendes gemittelt werden, der sich in Anlage mit den zwei Polen befindet). Darüber hinaus ist der Einfluß irgendeiner Krümmung auf der Oberfläche des Materials umso geringer, je kleiner der Durchmesser des Meßfühlers ist.
• Die SMA- und DBP-Messungen können gleichzeitig durchgeführt werden. Alternativ dazu können sie auch aufeinanderfolgend durchgeführt werden, und in diesem Fall können sie mit verschiedenen Frequenzen des Wechselstroms (und somit auch des Magnetfeldes) durchgeführt werden, z.B. bei 300 Hz für DEP und 68 Hz für SMA. Vorzugsweise sind die Amplituden der Wechselströme so bemessen, daß das Magnetfeld den gleichen Wert sowohl für SMA- als auch für DEP-Messungen aufweist. Idealerweise würden die Messungen bei der gleichen Frequenz durchgeführt werden, um die gleiche Eindringtiefe zu erreichen. Jedoch ist die DEP bei höheren Frequenzen empfindlicher auf eine Spannung, so daß in der Praxis die Frequenz, bei der DEP durchgeführt wird, einen Kompromiß zwischen Empfindlichkeit und Eindringtiefe darstellt. Tatsächlich kann die Frequenz verändert werden, um die Eindringtiefe zu verändern.
• Der Meßfühler kann um eine ganze Umdrehung gedreht werden und sowohl SMA- als auch DEP-Messungen können kontinuierlich oder bei mehreren Winkeleinstellungen durchgeführt werden, z.B. nach jeweils 10º. Die Drehung kann manuell durchgeführt werden oder von einem Motor; und in den Meßfühler ist vorzugsweise ein Sensor eingebaut, um Signale bereitzustellen, die seine Orientierung wiedergeben. Die SMA-Messungen hängen in etwa sinusförmig von der Winkelausrichtung der Probe ab, mit Maxima und Minima, wenn die Magnetfeldrichtung in dem Material mit der Winkelhalbierenden des Winkels zwischen den Hauptspannungsachsen in der Ebene tangential zu der Oberfläche ausgerichtet ist. Eine Bestimmung der Meßfühler- Orientierungen, für welche die SMA-Messungen ihre Maxima und Minima annehmen, ermöglicht es einem deshalb, die Richtungen der Hauptspannungsachsen zu bestimmen.
• DEP-Messungen werden auch benötigt, wenn die Magnetfeldrichtung (d.h. diejenige Linie, welche die Mitte der zwei Pole verbindet) mit den Hauptspannungsachsen ausgerichtet ist, bei welchen die DEP-Messungen ihre Maxima und Minima aufweisen. Vorzugsweise werden DEP-Messungen bei mehreren verschiedenen Orientierungen durchgeführt, und auf der Grundlage der bekannten Art und Weise, in der die DEP von der Orientierung abhängt, können all die Messungen verwendet werden, um eine genauere Abschätzung der Werte bei den Hauptspannungsachsen zu erhalten.
• Der Meßfühler der Erfindung ermöglicht es, Spannungen einschließlich von Restspannungen in einer Stahlstruktur nicht-destruktiv zu messen, zumindest in einem Bereich in der Nähe der Oberfläche der Struktur. Der Meßfühler kann über die Oberfläche gerastert werden um herauszufinden, wie sich die Spannungen mit der Position ändern, z.B. in der Nähe einer Schweißnaht bzw. Schweißstelle. Der Meßfühler kann einfach für eine Verwendung unter Wasser angepaßt werden, z.B. für einen Taucher zur Überprüfung von Unterwasserteilen einer Ölbohrinsel.
• Die Erfindung wird nun ausführlicher und nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, wobei:
• Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Messung von Spannung zeigt;
• Fig. 2 eine Längsschnittansicht eines Meßfühlers zur Verwendung in der Vorrichtung aus Fig. 1 zeigt;
• Fig. 3 graphisch die Veränderungen in SMA- und DEP-Signalen zeigt, die während einer Drehung des Meßfühlers aus Fig. 2 gemessen wurden;
• Fig. 4 graphisch experimentelle Messergebnisse für die Abhängigkeit des DEP-Signals von biaxialen Spannungen zeigt, wobei der Meßfühler parallel zu einer Hauptspannungsachse ausgerichtet wurde;
• Fig. 5 graphisch experimentelle Meßwerte der Abhängigkeit des DEP-Signals von biaxialen Spannungen zeigt, wobei der Meßfühler parallel zu der anderen Hauptspannungsachse ausgerichtet war; und
• Fig. 6 graphisch experimentelle Meßwerte der Abhängigkeit des SMA-Signals von biaxialen Spannungen zeigt.
• Bezugnehmend auf Fig. 1 ist eine Spannungsmeßapparatur 10 gezeigt, die einen Meßfühler 12 enthält, der SMA-Sensoren(spannungsinduzierte magnetische Anisotropie) und DEP-Sensoren(richtungsabhängige effektive Permeabilitäts) umfaßt, wobei der Meßfühler 12 an einem elektrischen Motor 14 angebracht ist, der von einem Benutzer gehalten werden kann oder der von einem Tragemechanismus (nicht abgebildet) gehalten werden kann, so daß der Motor 14 den Meßfühler 12 drehen kann, wobei ein Ende an einer Obeffläche eines stählernen Gegenstandes 16 anliegt, in dem die Spannung bestimmt werden soll. Der Meßfühler 12 und Motor 14 sind mit einem 2 m langen Versorgungskabel 17 mit einer Signalaufbereitungs-/Meßfühlertreiber-Einheit 18 verbunden. Die Einheit 18 ist ihrerseits über ein langes Versorgungskabel 19 (das z.B. bis zu 300 m lang sein kann) mit einer Schnittstelleneinheit in einem Mikrocomputer 20 verbunden, der eine Tastatur 21 aufweist. Die Betriebsweise der Vorrichtung 10 wird durch Software in dem Mikrocomputer 20 gesteuert.
• Die Schnittstelleneinheit in dem Mikrocomputer 20 erzeugt Sinus- und Cosinus-Funktionen mit Kreisfrequenzen, die durch Software eingestellt werden können, und speichert die Sinus-Wellenform zur Übermittlung an die Einheit 18 zum Treiben des Meßfühlers 12 zwischen. Die Amplitude der übermittelten Wellenform kann ebenfalls durch Software eingestellt werden. Sie stellt auch Steuersignale zur Verfügung, um die Winkelstellung des Meßfühlers 12 mit Hilfe des Motors 14 zu regeln. Die Schnittstelleneinheit stellt der Einheit 18 auch Steuersignale zur Verfügung um auszuwählen, welches der Signale, die von dem Meßfühler 12 erhältlich sind, zur Analyse übermittelt werden sollen. Sie demoduliert die ausgewählten Eingangssignale (SMA oder DEP), um ihre In-Phase- und Quadraturkomponenten abzuleiten, filtert das demodulierte Signal, um höhere Frequenzkomponenten zu entfernen und reduziert das Rauschen und wandelt die Analogsignale in digitale Form um, als Eingangsgröße für den Computer 20. Sie ermittelt auch die Winkelstellung des Meßfühlers 12 aus Signalen einer Positions-Codiereinrichtung (nicht abgebildet) auf dem Motor 14.
• In das lange Versorgungskabel 19 ist ein Koaxialkabel eingearbeitet, um das ausgewahlte Signal (SMA oder DEP) zu übermitteln, und Drähte, um zu steuern, welches Signal ausgewählt wurde, um den Motor 14 zu steuern, um Signale von der Positions-Codiereinrichtung zu übermitteln, und um elektrischen Strom zu leiten. Die Einheit 18 wandelt die Treiber-Wellenform aus einem Spannungs- in ein Strom-Treibersignal für den Meßfühler 12 um, speichert die SMA- und DEP-Signale von dem Meßfühler zwischen und verstärkt diese; und wählt aus, welches Signal an den Mikrocomputer 20 übermittelt werden soll. Sie speichert auch die Signale von der Positions-Codiereinrichtung zur Übermittlung zwischen und treibt den Motor 14 in Abhängigkeit von Steuersignalen.
• In Fig. 2 wird nun der Meßfühler 12 abgenommen von dem Motor 14 und im Längsschnitt gezeigt, obwohl die internen Bauelemente in Draufsicht gezeigt sind Der Meßfühler 12 umfaßt ein zylindrisches Messinggehäuse 24 mit einem äußeren Durchmesser von 16,5 mm und einer Gesamthöhe von 60 mm, dessen obere Hälfte einen kleineren Durchmesser aufweist, wodurch der Meßfühler 12 an dem Motor 14 angebracht ist. Die obere Hälfte des Gehäuses 24 enthält einen Vorverstärker 25. Die untere Hälfte einhält einen U-förmigen Kern 26 aus laminiertem Muntz-Metall (eine Nickel/Eisen/Kupfer-Legierung mit hoher Permeabilität), dessen Pole 28 von einer Lücke getrennt werden, die 7,5 mm breit ist und jeweils eine Breite von 2,3 mm und eine Stärke von 10 mm aufweist (aus der Ebene der Figur gerichtet). Die Pole 28 befinden sich in der Ebene des unteren Endes des Gehäuses 24. Um das obere Ende des U-förmigen Kerns 26 befindet sich eine Hülse, auf die zwei übereinander gelagerte Spulen 30 gewickelt sind. Eine Spule 30 (die 200 Wicklungen aufweist) wird von dem sinusförmigen Treiberstrom von der Einheit 18 versorgt; die andere Spule 30 (die 70 Wicklungen aufweist) stellt DEP-Signale bereit. Zwischen den zwei Polen 28 befindet sich eine rechteckige kunstharzimprägnierte Papierlaminathülse, auf die eine rechteckige Spule 32 mit 1670 Wicklungen gewickelt ist, etwa 4 mm hoch und 6 mm breit und 6 mm im Quadrat, wie unten gezeigt, wobei die Wicklungen parallel zu der Ebene der Figur liegen, so daß die Längsachse der Spule 32 senkrecht zu der Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten der Pole 28 ist. Die Spule 32 wird von einer Trägerscheibe 34 getragen, die zwischen den Armen des U-förmigen Kerns 26 fixiert ist, so daß sich die untere Fläche der Spule 32 in der Ebene der Pole 28 befindet. Die Spule 32 stellt die SMA-Signale bereit. Sowohl die DEP-Signale als auch die SMA-Signale werden von dem Vorverstärker 25 vor Übermittlung an die Einheit 18 verstärkt.
• Im Betrieb des Systems 10 wird der Motor 14 getragen, so daß das untere Ende des Meßfühlers 12 an der Oberfläche des Gegenstandes bzw. Objekts 16 anliegt und die Längsachse des Meßfühlers 12 senkrecht zu der Oberfläche steht. Der Meßfühler 12 wird zunächst in Anlage an einen Bereich des Gegenstandes 16 gebracht, in dem die Spannungen vernachläßigbar sind. Ein Wechselstrom mit gewünschter Frequenz und Amplitude wird in die Treiberspule 30 gespeist. Die In- Phase- und Quadratur-DEP-Signale, die von dem Mikrocomputer 20 empfangen werden, werden zunächst auf Null abgeglichen und der auf Null abgeglichene Wert wird dann festgehalten bzw. fixiert; dann wird der Meßfühler 12 leicht angehoben und aus den Veränderungen in den DEP-Signalen wird der "Lift-off"-Winkel in der Impedanzebene bestimmt.
• Der Meßfühler 12 wird dann in Anlage an einen Bereich gebracht, in dem die Spannung gemessen werden soll. Die Orientierung der Verbindungslinie, welche die Mitten der Pole 28 verbindet (die als die Orientierung des Meßfühlers 12 bezeichnet wird), wird relativ zu einer ortsfesten Richtung auf der Oberfläche vermerkt. Der Motor 14 wird dann angeschaltet bzw. mit Energie versorgt, um den Meßfühler 12 zu drehen, z.B. schrittweise um jeweils 100 über einen Gesamtwinkel von 380º. Bei jeder Orientierung des Meßfühlers 12 wird das Quadratur-SMA-Signal gemessen (bei einer Treiberstromfrequenz von 68 Hz) und das DEP-Signal in einer Richtung in der Impedanzebene senkrecht zu der "Lift-off"-Richtung bestimmt (bei einem Treiberstrom, der so bemessen ist, daß er das gleiche Magnetfeld aber bei einer Frequenz von 300 Hz erzeugt). Der Strom liegt typischerweise in dem Bereich von 300 bis 400 mA.
• In Fig. 3 werden graphisch die Werte der Quadratur-SMA-Signale und der DEP-Signale (nach Nullabgleich und aufgelöst senkrecht zu dem "Lift-off"-Winkel) in verschiedenen Orientierungen des Meßfühlers 12 dargestellt, angedeutet als der Winkel der Anfangsorientierung, wie er experimentell auf einer Stahlprobe bestimmt wurde. Man wird feststellen, daß die SMA-Werte sinusförmig von der Orientierung des Meßfühlers abhängen und daß die Orientierung, für welche die SMA-Werte ihre Maxima und Minima annehmen, einfach bestimmt werden kann. Die Richtungen in der Mitte zwischen diesen beiden Orientierungen stellen die Richtungen der Hauptspannungsachsen dar. Die DEP-Werte sind weniger genau (die vertikalen Linien durch die geplotteten Punkte geben die Meßfehler an), aber weil sie sinusförmig von der Orientierung des Meßfühlers abhängen sollten, können die Werte der DEP in den Hauptspannungsrichtungen folglich bestimmt werden.
• Die Werte der Spannungen in den Richtungen der Hauptspannungsachsen können aus den experimentellen Meßwerten der DEP in diesen Richtungen bestimmt werden sowie aus der Größe der Fluktuationen in dem SMA-Signal während der Drehung des Meßfühlers 12. Dies erfordert eine Kalibration der Vorrichtung 10, indem Messungen in der Art, wie sie oben beschrieben wurde, auf einem Probenmaterial des gleichen Typs wie dem des Gegenstandes 16 genommen werden, während dieser einer Reihe von verschiedenen Spannungen ausgesetzt wird. Dies kann durch eine kreuzförmige Probe bewerkstelligt werden, deren Arme mit den Achsen einer Testanordnung bzw. Testverspannung ausgerichtet sind, wobei SMA- und DEP- Messungen im Zentrum der Probe durchgeführt werden, wo die Hauptspannungsrichtungen mit den Achsen der Testanordnung ausgerichtet sind.
• Die Fig. 4 und 5 geben die Kontur- bzw. Höhenlinien der gemessenen Werte der DEP an. Fig. 4 zeigt die DEP-Werte auf der Hauptspannungsachse, die sich am nächsten zu der X-Achse der Probe befindet; Fig. 5 zeigt die DEP-Werte auf der Hauptspannungsachse, die sich am nächsten zu der Y-Achse der Probe befindet. Die Werte hat man von einer Stahlscheibe erhalten, die einem großen Bereich von Zugspannungen und Kompressionsspannungen parallel zu der X- und Y-Achse der Probe ausgesetzt worden ist. Fig. 6 gibt die zugleich gemessenen Werte der Differenz zwischen dem Maximum und dem Minimum des Quadratur-SMA-Signals während der Drehung des Meßfühlers 12 an, für den gleichen Bereich von Spannungen, die an die gleiche Stahlprobe angelegt wurden.
• Idealerweise wäre es möglich, die biaxialen Spannungen in dem Gegenstand 16 aus gemessenen Werten von nur zwei dieser Parameter zu bestimmen, indem man betrachtet, wo sich die entsprechenden Konturlinlen in der Spannungsebene schneiden. Jedoch besteht in der Praxis ein gewisser Fehler in den gemessenen Werten und auch in den Kalibrationsmessungen. Eine genauere Festlegung der biaxialen Spannung in dem Gegenstand 16 kann wie folgt durchgeführt werden. Für jede Position in der Spannungsebene wird die Gesamtanzahl von Standardabweichungen zwischen dem gemessenen Wert eines Parameters und dem Wert berechnet, der während der Kalibration erhalten wurde (wobei die Standardfehler bzw.-abweichungen sowohl in dem Parameterdatensatz als auch in dem Kalibrationsdatensatz berücksichtigt werden). Die Bereiche in der Spannungsebene, wo diese Größe klein ist, werden ähnlich wie die entsprechende Konturlinie verlaufen, aber die Breite des Bereiches, gemessen in der Anzahl von Standardabweichungen, wird aus einer perfekten bzw. bestmöglichen Anpassung (Fit) bestimmt. Diese Berechnung wird für zwei und vorzugsweise für alle drei gemessenen Parameter (wie in Fig. 4, 5 und 6) durchgeführt und die mittlere Anzahl von Standardabweichungen für all die Parameter wird für jede Position in der Spannungsebene berechnet. Der Wert der biaxialen Spannung in dem Gegenstand 16 wird dann als der Schwerpunkt des Bereiches in der Spannungsebene angenommen, für den die mittlere Anzahl von Standardabweichungen z.B. kleiner als 2 ist. Eine Abschätzung für den Fehler in diesem Wert für die biaxiale Spannung wird durch die mittlere Anzahl von Standardabweichungen bei dieser Position in der Spannungsebene angegeben.
• Man wird es zu schätzen wissen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung von der oben beschriebenen abweichen kann. Denn z.B. könnte das SMA-Signal von einem Halleffektsensor oder von einem Magnetoresistor anstatt einer Meßspule gemessen werden. Der Motor zum Drehen des Meßfühlers 12 könnte sich an der Seite anstatt auf dem oberen Ende des Meßfühlers 12 befinden. In den Meßfühler könnten auch zusätzliche Sensoren eingebaut sein, z.B. ein Magnetsensor, um die Magnetflußdichte zwischen den Polen parallel zu der Feidrichtung im freien Raum zu messen. Der Vorverstärker 25 könnte sich innerhalb der Einheit 18 anstatt in dem Meßfühler 12 befinden. Man wird es auch zu schätzen wissen, daß die Frequenzen der wechselnden Treiberströme verschieden von den beschriebenen sein könnten und daß die Art und Weise, in der die Signale ausgewertet werden, von der beschriebenen abweichen könnte. Einige dieser Alternativen werden nun ausfuhrlicher beschrieben werden.
• Man wird es zu schätzen wissen, daß man mit dem Meßfühler 12 die DEP- Messwerte erhält, indem man die Magnetflußdichte in dem Kern 26 mißt, die zunimmt, wenn die Permeabilität des Testgegenstandes bzw. Testobjekts 16 zunimmt. Alternativ könnte man die DEP-Messungen unter Verwendung einer Spule mit Luft als Kern (nicht abgebildet) erhalten, zwischen den Armen des U-förmigen Kerns 26, dessen Längsachse parallel zu der Feldrichtung im freien Raum ist. Solch eine Spule detektiert einen Streufluß bzw. Leckfluß, der abnehmen wird, wenn die Permeabilität des Testgegenstandes 16 zunimmt. Falls sich eine solche Spule in der Nähe der Ebene der Pole 28 befindet, erzeugt sie Signale, die sehr wenig durch einen "Lift- off" bzw. Abheben beeinflußt werden, die aber durch Spannung beeinflußt werden. Falls sich eine solche Spule in einem Abstand von den Polen 28 befindet, z.B. oberhalb der Trägerscheibe 34, wird sie durch "Lift-off" in einem ähnlichen Umfang beeinflußt, wie eine Spule in der Nähe der Ebene der Pole 28, weist aber fast keine Empfindlichkeit auf Spannung in dem Testgegenstand 16 auf. Folglich verwendet ein alternativer Meßfühler zwei Spulen, eine in der Nähe der Ebene der Pole 28 und eine in einem Abstand von den Polen 28. Die Signale werden voneinander abgezogen, so daß ein Großteil des Rauschens eliminiert wird und nur ein geringfügiger Null- abgleich des resultierenden Signales erforderlich ist; um den erforderlichen Null- abgleich zu minimieren, kann die obere Spule weniger Wicklungen aufweisen als die Spule in der Nähe der Ebene der Pole. Solch ein Meßfühler kann eine größere Empfindlichkeit auf Spannung und ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis als der Meßfühler 12 aufweisen, ist aber komplexer.
• In dem Meßfühler 12 wurde kein Versuch unternommen, die SMA-Signale hinsichtlich eines Lift-offs" bzw. Abhebens zu korrigieren. Dies kann erreicht werden, indem man eine Referenzspule mit Luft als Kern (nicht abgebildet) zwischen den Armen des U-förmigen Kerns 26 bereitstellt und oberhalb der Trägerscheibe 34, wobei die Längsachse der Spule parallel zu der Feldrichtung im freien Raum ist, wie oben beschrieben. Indem das Signal von dieser Referenzspule während einer SMA- Messung aufgezeichnet wird, kann die Amplitude der SMA-Signale leicht auf "Lift- offs" korrigiert werden. Dies erfordert eine Kalibration des Signals dieser Spule und die Abschwächung des SMA-Signals mit "Lift-off", und experimentelle Messungen haben gezeigt, daß diese in einer linearen Beziehung zueinander stehen. Zum Beispiel könnte die Referenzspule aus 200 Wicklungen aus Kupferdraht bestehen, aufgewickelt auf eine rechteckige Hülse. Die Signale von solch einer Referenzspule können auch verwendet werden, um die SMA- und DEP-Signale für irgendwelche Schwahkungen in der Verstärkung, in der Magnetfeldstärke oder Frequenz zu normalisieren.
• Wie zuvor beschrieben wurde, kann die Kalibration der Vorrichtung 10 vorgenommen werden, indem viele Messungen an einer kreuzförmigen Probe aus dem Material, aus dem der Gegenstand 16 hergestellt ist, durchgeführt werden, wenn diese einem großen Bereich verschiedener biaxialer Spannungen ausgesetzt wird. Alternativ kann die Vorrichtung unter Verwendung einer einfachen stabförmigen Probe kalibriert werden, die vier oder fünf verschiedenen uniaxialen Spannungen unterworfen wird, und indem man solche Kalibrationsmessungen mit einem parametrischen Modell der Abhängigkeit der SMA und DEP von biaxialen Spannungen kombiniert. Folglich können die Spannungen innerhalb des Gegenstandes 16 bestimmt werden. Dieses Kalibrationsverfahren weist die Vorteile auf, daß es ein einfacheres Probenmaterial erfordert, daß es weit weniger Kalibrationsmessungen erfordert und mit weniger Spannungen bzw. Belastungen.
• Welches Kalibrationsverfahren auch immer man sich zueigen macht, die Ergebnisse werden irreführend sein, falls sich die Kristallstruktur des Gegenstandes 16 geändert hat, z.B. mit der Ausbildung von Martensit, der sowohl mechanisch als auch magnetisch härter als Ferrit ist. Die Permeabilität ist folglich geringer, genauso wie die DEP-Messungen bzw. -Messwerte, so daß die berechneten Werte für die Spannung kleiner wären als die tatsächlichen Werte. Das Vorliegen von solchen Veränderungen im Feinstgefüge kann durch Messung der Koerzitivkraft bzw. Koerzitivfeldstärke des Gegenstandes 16 bestimmt werden. Dies kann unter Verwendung der Treiberspannung 30 erfolgen und indem die Signale, die man von der DEP-Spule erhält, gemessen werden.
• Ein Verfahren besteht darin, einen niederfrequenten Strom (z.B. 0,05 Hz) an die Treiberspule 30 anzulegen, mit einer großen Scheitelstromstärke (z.B. 1,5 A), so daß der Bereich des Gegenstandes 16, der an dem Meßfühler 12 anliegt, in wechselnden Richtungen in Sättigung getrieben wird. Das induzierte Spannungssignal (emf) von der DEP-Spule besitzt einen Scheitelwert, der in jedem Halbzyklus auftritt, und der Wert des Treiberstroms, bei dem dies passiert (oder genauer gesagt, der Mittelwert der Beträge der zwei Werte des Treiberstroms, bei dem dies in einem vollständigen Zyklus passiert), ist direkt proportional zu der Koerzitivkraft bzw. Koerzitivfeldstärke.

Claims (10)

1. Verfahren zur Messung von Spannung in einem ferromagnetischen Material, welches Verfahren einen Meßfühler (12) verwendet, der eine Elektromagneteinrichtung umfaßt, die einen Elektromagnetkern (26) und zwei mit Zwischenraum angeordnete Elektromagnetpole (28) vorgibt, einen ersten Magnetsensor (32) zwischen den zwei Polen (28) und angeordnet, um die Magnetflußdichte senkrecht zu der Richtung des Freiraum-Magnetfeldes zwischen den Polen (28) zu messen, einen zweiten Magnetsensor (30), angeordnet um den magnetischen Widerstand bzw. die Reluktanz desjenigen Teils des Magnetkreises zwischen den Polen (28) der Elektromagneteinrichtung zu messen, und eine Einrichtung (30), um ein wechselndes Magnetfeld in der Elektromagneteinrichtung zu erzeugen, welches Verfahren umfaßt, daß der Meßfühler (12) mit den Polen (28) in Anlage an eine Stelle auf einer Oberfläche des ferromagnetischen Materials (16) gebracht wird, daß ein wechselndes Magnetfeld in der Elektromagneteinrichtung und dadurch auch in dem ferromagnetischen Material (16) erzeugt wird, das mit einer Maximalamplitude weit unterhalb einer magnetischen Sättigung wechselt, daß der Meßfühler (12) gedreht wird, so daß das wechselnde Magnetfeld in dem ferromagnetischen Material (16) in Folge eine Anzahl von verschiedenen Orientierungen aufweist, daß die Signale von dem ersten Sensor (32) mit dem Magnetfeld in der Anzahl von verschiedenen Orientierungen gemessen werden, daß aus den Orientierungen des Magnetfeldes, bei denen die Maxima und Minima der Signale von dem ersten Sensor (32) auftreten, die Richtungen der Hauptspannungsachsen bestimmt werden, daß die Signale von dem zweiten Sensor (30) zumindest dann gemessen werden, wenn das Magnetfeld mit den Richtungen der Hauptspannungsachsen ausgerichtet ist, daß die Signale des zweiten Magnetsensors (30) verarbeitet werden, indem sie von Signalen abgezogen werden, die denjenigen von dem Sensor (30) gleichen, wenn sich der Meßfühler (12) in Anlage mit einer spannungsfreien Stelle befindet, und dann diejenige Komponente des Signals aufgelöst wird, die in der Impedanzebene bzw. komplexen Widerstandsebene senkrecht zu der Wirkung eines "Lift-offs" bzw. Abhebens von der Oberfläche ist, und daß die Werte der aufgelösten Komponente, bei der sich das Magnetfeld in Ausrichtung mit den Richtungen der Hauptspannungsachsen befindet, dazu verwendet werden, um die Werte der Hauptspannungen an dieser Stelle in dem Material (16) zu bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Signale von den ersten und den zweiten Sensoren (32, 30) gleichzeitig erfaßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Signale von den ersten und den zweiten Sensoren (32, 30) aufeinanderfolgend erfaßt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Magnetfeld mit einer anderen Frequenz erzeugt wird, wenn Signale von dem ersten Sensor (32) erfaßt werden, als wenn Signale von dem zweiten Sensor (30) erfaßt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Frequenz, bei welcher das Magnetfeld erzeugt wird, variiert wird, um die Eindringtiefe von den Messungen zu variieren.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Signale des ersten Sensors (32) auch zur Bestimmung der Werte der Hauptspannungen verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Signale von dem zweiten Sensor (30) bei der Anzahl von verschiedenen Orientierungen gemessen werden und die Werte der aufgelösten Komponente bei all den Orientierungen verwendet werden, um die Werte der aufgelösten Komponente zu bestimmen, wobei das Magnetfeld mit den Richtungen der Hauptspannungsachsen ausgerichtet ist.

8. Vorrichtung, geeignet zur Verwendung bei einem Verfahren zur Messung von Spannung in einem ferromagnetischen Material, wobei die Vorrichtung einen Meßfühler (12) umfaßt, der eine Elektromagneteinrichtung umfaßt, die einen Elektromagnetkern (26) und zwei mit Zwischenraum angeordnete Elektromagnetpole (28) vorgibt, einen ersten Magnetsensor (32) zwischen den Polen (28) und angeordnet, um die Magnetflußdichte senkrecht zu der Richtung des Freiraum-Magnetfeldes zwischen den Polen (28) zu messen, einen zweiten Magnetsensor (30), angeordnet um den magnetischen Widerstand bzw. die Reluktanz desjenigen Teils des Magnetkreises zwischen den Polen (28) der Elektromagneteinrichtung zu messen, und eine Einrichtung (30), um ein wechselndes Magnetfeld in der Elektromagneteinrichtung zu erzeugen, und wobei die Vorrichtung auch eine Einrichtung umfaßt, um Ausgangssignale zu schaffen, welche die von dem ersten Magnetsensor (32) gemessene Flußdichte darstellen, und Signale, welche den von dem zweiten Magnetsensor (30) gemessenen magnetischen Widerstand bzw. Reluktanz darstellen, und eine Einrichtung, um die Reluktanzsignale weiter zu verarbeiten, indem ein Nullabgleich mit Signalen durchgeführt wird, welche den Reluktanzsignalen gleichen, wenn sich der Meßffihler (12) in Anlage mit einer spannungsfreien Stelle in einem ferromagnetischen Material befindet, und dann diejenige Komponente des Signales aufgelöst wird, die in der Impedanzebene bzw. komplexen Widerstandsebene senkrecht zu der Wirkung eines "Lift-offs" bzw. Abhebens von der Oberfläche des Materials ist, um zweite Ausgangssignale zu schaffen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, die auch einen dritten Magnetsensor aufweist, angeordnet, um die Magnetflußdichte parallel zu der Richtung des Magnetfeldes im freien Raum zu messen, zwischen den Armen aber mit Zwischenraum zu den Polen (28) angeordnet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, die auch eine Einrichtung (14) umfaßt, um den Meßfühler in eine Anzahl verschiedener Orientierungen zu drehen.