DE19850435A1 - Wirbelstromsonde - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstromsonde zur zerstörungsfreien Untersuchung von Prüflingen, mit wenigstens einer Erregerspule, die zur Induzierung eines Wirbelstroms im Prüfling mit einer hochfrequenten Wechselspannung (Prüfspannung) beaufschlagbar ist, mit wenigstens einer Empfängerspule, durch die ein durch den Wirbelstrom im Prüfling erzeugtes resultierendes Magnetfeld erfaßbar und in eine Meßspannung wandelbar ist, und mit einer Ansteuerschaltung zum Erzeugen der Prüfspannung sowie einer Auswerteschaltung zum Auswerten der Meßspannung. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß eine Frequenz der Prüfspannung (Prüffrequenz) in einem Bereich von 20 MHz bis GHz erzeugbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstromsonde zur zerstörungsfreien Untersuchung von Prüflingen, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merk­ malen.

Wirbelstromsonden der gattungsgemäßen Art sind be­ kannt. Diese umfassen wenigstens eine Erregerspule, die mit einer hochfrequenten Wechselspannung, nach­ folgend Prüfspannung genannt, beaufschlagbar ist. Durch die Prüfspannung wird in der Erregerspule ein Magnetfeld induziert, das in den Prüfling eingekop­ pelt wird. Entsprechend der Frequenz der Prüfspannung wird ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt. Durch Einkoppeln des Magnetfeldes in den Prüfling wird in diesem ein Wirbelstrom induziert. Der Wirbel­ strom seinerseits erzeugt ein magnetisches Gegenfeld, das das von der Prüfspannung induzierte Magnetfeld überlagert. Ein hieraus resultierendes Magnetfeld ist durch wenigstens eine Empfängerspule erfaßbar. Ent­ sprechend dem resultierenden Magnetfeld wird in der Empfängerspule eine Meßspannung induziert, die über eine Auswerteschaltung auswertbar ist. Die Größe der magnetischen Gegenkopplung infolge des Wirbelstromes ist abhängig von Eigenschaften des Prüflings. Insbe­ sondere wirken sich Fehlerstellen, Inhomogenitäten oder dergleichen auf den Wirbelstrom und somit auf die magnetische Gegenkopplung aus. Hierdurch kommt es zu einer Änderung einer Amplitude und einer Phase der Meßspannung im Verhältnis zur Prüfspannung. Diese Amplitude und Phase der Meßspannung, insbesondere der Differenz zwischen Amplitude und Phase der Meßspan­ nung zur Prüfspannung, geben einen Anhaltspunkt über den Prüfling, insbesondere über dessen Materialeigen­ schaften, insbesondere vorliegender Fehlerstellen, Inhomogenitäten oder dergleichen.

Bei den bekannten Wirbelstromsonden ist nachteilig, daß diese nur für Prüflinge mit speziellen Eigen­ schaften, insbesondere mit einer elektrischen Leit­ fähigkeit, einsetzbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wirbelstromsonde der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei der in einfacher Weise Prüflinge mit unterschied­ lichen Materialeigenschaften zerstörungsfrei unter­ sucht werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Wirbel­ stromsonde mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, daß eine Frequenz der Prüfspannung, nachfolgend auch Prüffrequenz genannt, in einem Bereich von 20 MHz bis 2 GHz erzeugbar ist, lassen sich Prüflinge, die einen relativ hohen elektrischen Widerstand besitzen, also elektrische Nichtleiter sind, untersuchen. Unter elektrischen Nichtleitern werden im Sinne der Erfindung schwach bis sehr schwach elektrisch leitfähige Materialien verstanden. Durch das Betreiben der Wirbelstromsonde mit einer Prüffrequenz von über 20 MHz, insbesondere mit 100 MHz, wird erreicht, daß der wirksame elektrische Widerstand für den im Prüfling erzeugten Wirbelstrom erheblich reduziert wird, so daß auch in den elektrischen Nicht- beziehungsweise Schwachleitern ein Wirbelstrom induziert werden kann. Insbesondere lassen sich bevorzugt so Isolatoren, Keramiken, natürliche Materialien, wie beispielsweise Holz oder dergleichen, zerstörungsfrei mit einer Wirbelstrom­ sonde untersuchen.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß alle Komponenten der Wirbelstromsonde, das heißt, insbesondere die wenigstens eine Erregerspule, die wenigstens eine Empfängerspule, die Ansteuer­ schaltung und die Auswerteschaltung, räumlich eng benachbart angeordnet sind. Insbesondere ist bevor­ zugt, wenn diese in einem gemeinsamen Gehäuse ange­ ordnet sind. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, daß die durch die hohe Prüffrequenz bestimmte Meßfrequenz der Meßspannung nicht zu einer räumlich entfernten Auswerteschaltung übertragen werden muß. Hierdurch wird verhindert, daß ein hochfrequentes Meßsignal über relativ weite Übertragungsstrecken übertragen werden muß, wobei es ansonsten zu Störungen, ins­ besondere durch kapazitive Einflüsse, auf die Meß­ spannung kommt. Hierdurch wird verhindert, daß die auszuwertende Amplitude beziehungsweise die auszu­ wertende Phase der Meßspannung verfälscht wird. Durch Wegfall dieser relativ langen Übertragungsstrecke kann eine Erhöhung der Prüffrequenz und somit der Meßfrequenz erzielt werden.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Prüffrequenz abstimmbar ist, wobei bevorzugterweise Resonanzeinflüsse auf die Prüffrequenz eliminierbar sind. Hierdurch wird vor­ teilhaft erreicht, daß die tatsächliche, durch den Wirbelstrom hervorgerufene Änderung der Amplitude und/oder Phase auf die gegebenen Materialeigen­ schaften des Prüflings zurückzuführen sind. Resonanz­ erscheinungen werden durch die Abstimmbarkeit unter­ drückt. Insbesondere, wenn die Prüffrequenz weich ist, das heißt, eine Störung einer Frequenzstabilität eine kurz nach der Störung vorliegende und für die Zeit der Störung anhaltende Änderung der Frequenz bewirkt, wird vorteilhaft erreicht, daß die Prüf­ frequenz sich selbsttätig in Abhängigkeit von Reso­ nanzmaxima einstellt, so daß reelle Wirbelstrommeß­ werte, das heißt Amplitude und Phase der Meßspannung, auswertbar sind.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Meßfrequenz, die der Prüf­ frequenz entspricht, vor einer Auswertung auf eine Zwischenfrequenz heruntersetzbar ist. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, daß bei einer vorzugsweise vorgesehenen, nachfolgenden Digitalisierung die Meß­ frequenz mit hoher Genauigkeit in ein digitales Signal gewandelt werden kann. Eine Digitalisierung analoger Signale ist bei niederen Frequenzen mit höherer Genauigkeit möglich. Vorzugsweise erfolgt das Heruntersetzen der Meßfrequenz auf die Zwischen­ frequenz über einen Hochfrequenzdemodulator, in dem die Meßfrequenz mit einer Hilfsfrequenz gemischt wird. Insbesondere ist bevorzugt, wenn die Hilfs­ frequenz variabel ist, so daß bei unterschiedlich einstellbaren Prüffrequenzen entsprechend einer wähl­ baren Hilfsfrequenz unterschiedliche Zwischen­ frequenzen erzielbar sind. So kann entsprechend der während der zerstörungsfreien Prüfung gegebenen Randbedingungen eine optimale Prüffrequenz und eine optimale Zwischenfrequenz eingestellt werden.

Ferner ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die heruntergesetzte Meßfrequenz, das heißt die Zwischenfrequenz, vor der Digitalisierung gefiltert und geglättet wird. Hierdurch lassen sich vorteilhaft quasiperiodische, hochfrequente Stör­ signale unterdrücken, so daß ein gutes Signal/Rausch-Ver­ hältnis erzielbar ist. Insbesondere bei leicht variablen Meßfrequenzen, die sich durch die Abstimm­ barkeit der Prüffrequenz ergeben, lassen sich hier­ durch permanente Störsignale, die zu einer Ver­ schlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses führen, eliminieren.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Aus­ führungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Wirbelstromsonde;

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung und

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer Auswerteschaltung.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Wirbelstromsonde 10. Die Wirbelstromsonde 10 umfaßt eine Erregerspule 12, die über eine Ansteuer­ schaltung 14 mit einer hochfrequenten Wechselspan­ nung, im weiteren Prüfspannung genannt, beaufschlagt wird. Durch die Prüfspannung wird in der Erregerspule 12 ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld wird in einen Prüfling 16 eingekoppelt, so daß im Prüfling ein Wirbelstrom induziert wird. Der Wirbelstrom erzeugt ein magnetisches Gegenfeld, das das Magnet­ feld überlagert und zu einem resultierenden Magnet­ feld führt, das in einer Empfängerspule 18 in Form einer Meßspannung erfaßt werden kann. Die Meßspannung wird dann nachfolgend in einer Auswerteschaltung 20 in ein digitales Signal umgewandelt und über ein Kabel 22 einer Rechnereinheit 24 zugeführt.

Die Komponenten der Wirbelstromsonde 10 zur Erzeugung der Prüfspannung, Erfassung und Auswertung der Meß­ spannung sind dabei eng benachbart in einem Sonden­ gehäuse 26 der Wirbelstromsonde 10 untergebracht. Dabei befinden sich die Erregerspule 12 und die Empfängerspule 18 in einem dem Prüfling 16 zuge­ wandten ersten Teil 28 des Sondengehäuses 26, und die Ansteuerschaltung 14 und die Auswerteschaltung 20 sind in einem zweiten Teil 30 des Sondengehäuses 26, der durch eine Abschirmung 32 vor dem unmittelbaren Einfluß der hochfrequenten Magnetfelder geschützt ist. Auf diese Weise beinhaltet die Wirbelstromsonde 10 alle zur zerstörungsfreien Untersuchung benötigten Komponenten und ermöglicht damit eine einfache Hand­ habung der Sonde 10 in der Praxis.

Wesentliche Störungen bei hochfrequenten Messungen sind Resonanzen, Oberwellen und hochfrequentes Rauschen. Diese Störungen treten bei der hochfrequen­ ten Messung gemeinsam auf und erst die Eliminierung dieser Störungen ermöglicht eine Zuverfügungstellung eines auswertbaren Signals. Hierzu ist in der Wirbel­ stromsonde 10 folgendes vorgesehen:

Die Anordnung der Auswerteschaltung 20 innerhalb des Sondengehäuses 26 ermöglicht eine Digitalisierung der Meßspannung bereits in der Wirbelstromsonde 10, so daß ein digitales Signal über das Kabel 22 übertragen wird. Dies ist vorteilhaft, da bei einer Übertragung hochfrequenter analoger Meßsignale über das Kabel 22 eine Verfälschung der Amplitude und Phase durch kapazitive Einflüsse sowie durch Störungen, die durch eine unvollkommene Abschirmung des Kabels 22 ermöglicht werden, erfolgt.

Die Beschaffenheit, Anzahl und räumliche Lage der Er­ regerspule 12 und der Empfängerspule 18 ist variabel gestaltbar und kann den jeweiligen Anforderungen des Einsatzgebietes angepaßt werden. Insbesondere können die Erreger- und Empfängerspule 12, 18 auf derselben Achse angeordnet sein. So ist es unter anderem auch möglich, die Erregerspule 12 und die Empfängerspule 18 in einer Einheit zusammenzufassen und durch geeignete Abgreifer Meßspannungen in bestimmten Bereichen der zusammengefaßten Spule zu ermitteln. Der Abgriff kann auch geometrisch derart asymmetrisch angeordnet sein, daß nahezu die gesamte Länge der Spule dem Erreger- beziehungsweise Empfängerzweck zugeordnet ist. Bei hohen Frequenzen stellen auch leicht gekrümmte Leitungen Spulenteile dar. Auf den Aufbau und die räumliche Anordnung der Spulen soll im Rahmen dieser Beschreibung nicht weiter eingegangen werden, da dies allgemein bekannt ist.

Wie bereits geschildert, wird durch die Prüfspannung in dem Prüfling 16 ein Wirbelstrom erzeugt. Dieser ist abhängig von einem elektrischen Widerstand des Prüflings 16. Durch den Einsatz hochfrequenter Prüf­ spannungen läßt sich der elektrische Widerstand derart herabsetzen, daß die bisherige Limitierung der zur Prüfung geeigneten Werkstoffe entfällt. So kann die hochfrequente Prüfspannung ausreichend starke Wirbelströme in elektrisch schlecht leitenden Ma­ terialien erzeugen, so daß auch hier eine zer­ störungsfreie Untersuchung ermöglicht wird.

Eine Störung der Messung, insbesondere durch uner­ wünschte Eigenresonanzen, kann durch die bevorzugte Ausgestaltung der Ansteuerschaltung 14 eliminiert werden. In Fig. 2 ist die Erzeugung der Prüfspannung mittels der Ansteuerschaltung 14 in schematischer Weise in einem Blockschaltbild dargestellt. Zunächst wird mittels eines Schwingkreises 40, insbesondere eines Transistorschwingkreises, eine Prüfspannung 42 mit einer dazugehörigen Amplitude und Phase erzeugt. Dem Schwingkreis 40 wird hierzu die benötigte Energie 41 (Spannung) zugeführt. Mit dieser Prüfspannung 42 wird die Erregerspule 12 beaufschlagt. Infolge einer Störung 44 wird rückwirkend der Schwingkreis 40 derart beeinflußt, daß sich eine Prüffrequenz der Prüfspannung 42 ändert. Die Störung 44 wird dabei durch das magnetische Gegenfeld des Wirbelstroms verursacht und ist selbst abhängig von der Eigen­ resonanz. Die Störung 44 wirkt sich dabei auf die Prüffrequenz der Prüfspannung 42 aus. Der Schwing­ kreis 40 ist dabei derart ausgestaltet, daß eine Störung der Frequenzstabilität eine kurz nach der Störung vorliegende und für die Zeit der Störung resultierende Änderung der Frequenz bewirkt. Durch diese Wechselwirkung ist die Prüffrequenz abstimmbar, und die Resonanzeinflüsse werden elimiert, das heißt, die Prüffrequenz ändert sich selbsttätig in Abhängig­ keit von den Resonanzmaxima. Der Aufbau und die Funktionsweise solcher Schwingkreise 40 ist bekannt und kann beispielsweise durch den Einbau geeigneter elektronischer Bauteile, die als Kondensatoren oder Potentiometer wirken, verwirklicht werden.

Nach der Erfassung der Meßspannung in der Empfänger­ spule 18 erfolgt deren Auswertung in der Auswerte­ schaltung 20. Der Ablauf der Auswertung der Meß­ spannung ist dabei in Fig. 3 in einem schematischen Blockschaltbild dargestellt. Durch die Auswerte­ schaltung 20 werden der unerwünschte Einfluß der Oberwellen, hochfrequentes Rauschen und Probleme bei der Umwandlung des analogen Signals in ein digitales Signal behoben.

Zunächst wird die Meßfrequenz, mit der die Meß­ spannung in der Empfängerspule 18 abgegriffen wird, durch Hochfrequenzdemodulatoren 50 in eine Zwischen­ frequenz heruntergesetzt. Diese heruntergesetzte Frequenz ermöglicht eine fehlerfreie Umwandlung des analogen Signals in ein digitales Signal mittels eines AD-Wandlers 54. Der Hochfrequenzdemodulator 50 ist derart ausgestaltet, daß die Meßfrequenz mit einer Hilfsfrequenz gemischt wird. Die Hilfsfrequenz ist variabel und kann damit optimal den jeweiligen Meßbedingungen angepaßt werden. Beispielsweise ist die Hilfsfrequenz abhängig von der Prüffrequenz, dem Prüfling, Randbedingungen der Prüfung oder der­ gleichen. Aufbau und Funktionsweise solcher Hoch­ frequenzdemodulatoren 50 sind bekannt und werden daher im Rahmen der Beschreibung nicht weiter er­ läutert.

Nach der Herabsetzung der Meßfrequenz weist das Signal weiterhin quasiperiodische Störsignale auf, die unter anderem durch Oberwellen und hochfrequentes Rauschen entstehen. Zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses und Beseitigung der Stör­ signale sind in der erfindungsgemäßen Auswerte­ schaltung 20 elektronische Bauteile 52 vorgesehen. Mittels der elektronischen Bauteile 52 wird die heruntergesetzte Meßfrequenz vor der Digitalisierung gefiltert und geglättet. Derartige elektronische Filter sind bekannt. Vorzugsweise besteht der elek­ tronische Filter aus induktiv und kapazitiv wirkenden Gliedern.

Das durch die Hochfrequenzdemodulatoren 50 und die elektronischen Bauteile 52 verarbeitete Meßsignal wird anschließend in dem AD-Wandler 54 in ein digita­ les Signal umgewandelt und über ein Kabel 22 der Rechnereinheit 24 zur weiteren Bearbeitung zur Verfügung gestellt.

Claims (11)

1. Wirbelstromsonde zur zerstörungsfreien Unter­ suchung von Prüflingen, mit wenigstens einer Erreger­ spule, die zur Induzierung eines Wirbelstroms im Prüfling mit einer hochfrequenten Wechselspannung (Prüfspannung) beaufschlagbar ist, mit wenigstens einer Empfängerspule, durch die ein durch den Wirbel­ strom im Prüfling erzeugtes resultierendes Magnetfeld erfaßbar und in eine Meßspannung wandelbar ist, und mit einer Ansteuerschaltung zum Erzeugen der Prüf­ spannung sowie einer Auswerteschaltung zum Auswerten der Meßspannung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Frequenz der Prüfspannung (Prüffrequenz) in einem Bereich von 20 MHz bis 2 GHz erzeugbar ist.

2. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Erregerspule (12), die Empfänger­ spule (18), die Ansteuerschaltung (14) und die Aus­ werteschaltung (20) in einem Sondengehäuse (26) der Wirbelstromsonde (10) untergebracht sind.

3. Wirbelstromsonde nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Erregerspule (12) und die Empfängerspule (18) in einem dem Prüfling (16) zuge­ wandten ersten Teil (28) des Sondengehäuses (26) und die Ansteuerschaltung (14) und die Auswerteschaltung (20) in einem zweiten Teil (30), der durch eine Abschirmung (32) im Sondengehäuse (26) definiert ist, untergebracht sind.

4. Wirbelstromsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüf­ frequenz abstimmbar ist.

5. Wirbelstromsonde nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Prüffrequenz mittels eines Schwing­ kreises (40) erzeugbar ist und in Abhängigkeit von Resonanzmaxima, die eine Störung (44) der Meßspannung darstellen, eine Änderung der Prüffrequenz während oder kurz nach der Störung (44) und für die Dauer der Störung (44) bewirkbar ist.

6. Wirbelstromsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüf­ frequenz vor der Auswertung auf die Zwischenfrequenz heruntersetzbar ist.

7. Wirbelstromsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte­ schaltung (20) wenigstens einen Hochfrequenzdemodula­ tor (50) zur Heruntersetzung der Prüffrequenz umfaßt.

8. Wirbelstromsonde nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hochfrequenzdemodulator (50) die Prüffrequenz in Abhängigkeit von einer durch die Prüffrequenz vorgebbaren Hilfsfrequenz herabsetzt.

9. Wirbelstromsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte­ schaltung (20) einen A/D-Wandler zur Digitalisierung der heruntergesetzten Meßfrequenz umfaßt.

10. Wirbelstromsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die herunter­ gesetzte Meßfrequenz vor der Digitalisierung gefil­ tert und geglättet wird.

11. Wirbelstromsonde nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (20) elektro­ nische Bauteile (52) umfaßt, die als Induktivitäten und/oder Kapazitäten wirken und die Meßfrequenz filtern und glätten.