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Verfahren und Einrichtung zum berührungslosen Ermitteln physika-
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lischer oder geometrischer Eigenschaften Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zum berührungslosen Ermitteln physikalischer oder geometrischer Eigenschaften
elektrisch leitender Körper mit zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen, nach
dem auf der Seite der ersten der beiden Oberflächen des Körpers ein den zwischen
den Oberflächen befindlichen Bereich des Körpers durchdringendes und in diesem Wirbelströme
hervorrufendes Magnetwechselfeld erregt, auf der Seite der zweiten Oberfläche ein
durch die Wirbelströme verändertes Magnetwechselfeld empfangen und die eine bestimmte
Phasendifferenz dieser Magnetwechselfelder hervorrufende Frequenz derselben für
die Ermittlung der genannten Eigenschaften benutzt wird. Die Erfindung betrifft
ferner eine Einrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
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Ein dem oben Gesagten entsprechendes Verfahren wird beschrieben in
der DT - OS 1 773 199, die sich mit Messungen an rohrförmigen Körpern befaßt. Nach
der genannten Druckschrift werden diese Körper von außen her einem magnetischen
Wechselfeld in axialer Richtung ausgesetzt, dessen Frequenz soweit erhöht wird bis
die Phasenverschiebung zwischen dem Außenmagnetfeld und dem Magnetfeld in der Bohrung
einen bestimmten, meßbaren Wert besitzt.
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Aus der diesem Wert entsprechenden Frequenz des Magnetfeldes
werden
die gesuchten physikalischen bzw. geometrischen Größen bestimmt, z.B. bei gegebenen
oder zumindest konstanten Abmessungen eines nichtferromagnetischen Körpers dessen
elektrische Leitfähigkeit.
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Ein solches Verfahren ist vielseitig einsetzbar, da es außer für vergleichende
auch für absolute Messungen benutzt werden kann, wenn man mit Mustern bekannter
Leitfähigkeit und Abmessung eine Eichung vornimmt. Wenn das Verfahren dennoch in
der Praxis bisher keine Bedeutung erlangt hat, so liegt das daran, daß es in seiner
Handhabung zu umständoich und für kontinuierliche Messungen, z.B. der Wandstärke
an langen Rohren bekannter Leitfähigkeit, nicht geeignet ist. Darüber hinaus erfordert
die Ausführung des Verfahrens einen relativ hohen Aufwand an Geräten. Beim verfahrensgemäßen
Vorgehen muß zunächst die Frequenz eines Wechselstromgenerators, der die Erreyerspulen
speist, verändert werden. Gleichzeitig muß ein Phasenanzeiger, im angegebenen Beispiel
ein Lissajou-Figuren anzeigender Oszillograph, beobachtet werden bis dort die der
gewünschten Phasenverschiebung entsprechende Figur erscheint. Danach kann an einem
Frequenzmesser die eingestellte Frequenz abgelesen werden. Es liegt auf der Hand,
daß ein solches Verfahren für fortlaufende überwachende Messungen nicht brauchbar
ist.
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Die Erfindung macht sich demgegenüber ein Verfahren gemäß dem eingangs
beschriebenen zur Aufgabe, das in einfacher Weise und mit geringem Aufwand fortlaufende,
überwachende Messungen ermöglicht. Die Erfindung macht sich ferner eine Einrichtung
zur Durchführung des Verfahrens zur Aufgabe. Der erste Teil der Aufgabe wird gelöst
durch ein gemäß Patentanspruch 1 gekennzeichnetes Verfahren, der zweite Teil durch
eine gemäß Patentanspruch 5 gekennzeichnete Einrichtung.
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Die erfindungsgemäße Lösung hat gegenüber dem Bekannten den Vorteil
großer Einfachheit, sowohl was die Handhabung des Verfahrens angeht als auch hinsichtlich
des benötigten apparativen Aufwandes. Die sich bei der gewählten Phasenverschiebung
ergebende Frequenz kann ohne weitere Maßnahmen jederzeit abgelesen
werden,
sie kann aber auch als analoges Signal ausgegeben werden, das zu Registrierung oder
zu Steuerzwecken benutzbar ist. Die Notwendigkeit eines Phasenanzeigegerätes und
dessen Beobachtung entfallen ebenso wie die Nachstellung des Wechselstromgenerators,
da sich die zu einer bestimmten Phasendifferenz gehörige Frequenz selbst einstellt.
Im einfachsten Fall geschieht dies nach dem Rückkopplungsprinzip, wobei ein Verstärker
die für die Aufrechterhaltung der Eigenerregung nötige Energie liefert. Die Phasendifferenz
zwischen erregendem und empfangenem Magnetwechselfeld stellt dabei einen Teil der
für die Rückkopplung erforderlichen Phasenbeziehung dar. In einem anderen Fall wird
von der Phasendifferenz zwischen erregendem und empfangenem Magnetwechselfeld eine
Signalspannung abgeleitet und zum Steuern der Frequenz eines Wechselstromgenerators
benutzt, der für den Aufbau des Erregerfeldes vorgesehen ist. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
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Im folgenden soll anhand von Anwendungsbeispieln mit Hilfe einiger
Figuren die Erfindung näher erläutert werden. Im einzelnen zeigen: Figur 1 Transmissionsschaubilder
Figur 2 Meßschaltung zu deren Aufnahme Figuren 3 bis 5 alternative Ausführungsbeispiele
der Erfindung Figur 1 zeigt einige sogenannte Transmissionsschaubilder und Figur
2 die zu deren Aufnahme benötigte Meßschaltung. Unter Transmission versteht man
die Durchdringung eines elektrisch leitenden Körpers, z.B. einer Platte oder der
Wand eines Rohres, durch ein Magnetwechselfeld. Im vorliegenden Fall handelt es
sich um Transmissionsschaubilder einer Messingplatte 1 mit der Leitfähigkeit K =
17,5 2/mm2 und der Dicke W. Eine von einem Generator 3 über den ohmschen Widerstand
5 mit einem konstanten Strom J gespeiste Spule 7 erzeugt ein die Platte 1 senkrecht
durchdringendes Magnetwechselfeld. Eine Empfängerspule 9 leitet die in ihr
durch
das Feld erzeugte Spannung zu einer Meßanordnung 11. Diese ist an einem zweiten
Eingang 13 mit der Spannung verbunden, die der Strom J am ohmschen Widerstand 5
abfallen läßt und die infolgedessen in ihrer Phasenlage der des erregenden Magnetwechselfeldes
entspricht.
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Meßeinrichtung 11 ermittelt den Betrag der in Spule 9 induzierten
Spannung U sowie deren Phasenwinkel gegenüber dem Erregere strom J, d.h. dem Erregermagnetfeld.
In Figur 1 sind Betrag und Winkel der Spannung Ue in Abhängigkeit von der Frequenz
des Erregermagnetfeldes aufgetragen. Dabei wird die Spannung Ueo, die bei entfernter
Platte 1 entsteht, als mit der Nullachse zusammenfallend angenommen. Der wegen des
Induktionsgesetzes um 900 gegenüber Ueo verschobene Strom J soll in der 270°-Achse
liegen.
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Schaulinie 15 gibt den Verlauf der Spannung U für eine Wande stärke
W1 = 3,5 mm der Platte 1 wieder. Mit wachsender Frequenz f steigt die Amplitude
von U bis zu einem Maximum in der Gegend e von 1300 Hz, fällt dann wieder ab. Der
Phasenwinkel < nimmt S zu. Die Schaulinien 17 und 19 entsprechen Wandstärken
von 5,5 mm bzw. 7,5 mm. Punkte gleicher Frequenz in den Schaulinien 15, 17, 19 sind
durch Linien 21 verbunden. Die Zunahme der Wandstärke hat eine Abnahme der Amplitude
von Ue, dagegen ein rascheres Ansteigen des Phasenwinkels f zur Folge. Hält man
den Winkel < konstant, so ergibt sich mit zunehmender Wandstärke W ein starker
Abfall der notwendigen Frequenz. Das gleiche gilt auch, wenn man bei konstanter
Wandstärke die Leitfähigkeit der Platte 1 erhöht. Um z.B. einen konstanten Phasenwinkel
O°= = 90° zu erhalten, was einer Gesamtphasenverschiebung von 1800 zwischen den
Magnetwechselfeldern auf den beiden Seiten der Platte 1 entspricht, muß man die
Frequenz f von 1237 Hz auf 670 Hz vermindern, wenn man gleichzeitig die Wandstärke
W von 3,5 cm auf 5,5 cm erhöht oder eine entsprechende Leitfähigkeitsänderung vornimmt.
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Um bei der gleichen Wandstärkeänderung von 3,5 cm auf 5,5 cm den Phasenwinkel
SP = 1800 konstant zu halten, ist gleichfalls eine Frequenzänderung von etwa 2:1
erforderlich.
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In Figur 3 ist unterhalb der Oberfläche 31 der Platte 1 eine Empfängerspule
33 angebracht. Dieser gegenüber, oberhalb der Oberfläche
35 von
Platte 1, ist eine Erregerspule 37 angeordnet, die von einem geregelten Verstärker
39 mit einem konstanten eingeprägten Strom J gespeist wird. Der Verstärker 39 bewirkt
innerhalb seines Übertragungsbereichs eine konstante Phasendrehung von 1800 zwischen
seinem Eingang 41 und seinem Ausgang 43. Außerhalb des Übertragungsbereiches soll
die Verstärkung steil abfallen. Die Empfängerspule 33 ist entweder direkt oder über
einen Phasenschieber 45 mit dem Eingang 41 des Verstärkers 39 verbunden. Ein an
einen anderen Ausgang 47 des Verstärkers 39 angeschlossener Frequenzmesser 49 ermöglicht
die Feststellung der Frequenz der zu verstärkenden Spannungen oder aber die Abnahme
einer frequenzanalogen Spannung am Ausgang 50 des Frequenzmessers.
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Ist ein Phasenschieber 45 nicht vorgesehen, so ergibt sich bei einem
Phasenwinkel von 1800 zwischen dem Erregerstrom J und der Empfängerspannung U aus
Spule 33 die für Eigenerregung notwene dige Phasenübereinstimmung. Diese führt unter
der Voraussetzung ausreichender Verstärkung des Verstärkers 39 zu einer freien Schwingung,
deren Frequnez sich direkt aus Figur 1 ableiten läßt.
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Ein die Frequenz bestimmender Arbeitspunkt 46 ergibt sich als der
Schnittpunkt der jeweiligen Schaulinie, hier der Schaulinie 15, mit der Richtung
des Vektors Ue, hier der 900-Achse. Ändert sich die Wandstärke W bzw. die elektrische
Leitfähigkeit, so muß der Winkel f zur Aufrechterhaltung der Eigenerregung erhalten
bleiben. Der Arbeitspunkt 46 verschiebt sich infolgedessen entlang der Richtung
von Ue, hier also entlang der 900-Achse, wobei sich selbsttätig eine neue Frequenz
einstellt. Als Maß für die Wandstärke W bzw. für die elektrische Leitfähigkeit kann
die Frequenz am Frequenzmesser 49 abgelesen werden. Die frequenzanaloge Spannung
am Ausgang 50 kann zum Aussteuerneines Registriergerätes oder zu Steuerzwecken benutzt
werden.
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Soll ein anderer Punkt der jeweiligen Schaulinie als Arbeitspunkt
gewählt werden, so muß die Phasenverschiebung zwischen Strom J und Spannung U um
einen entsprechenden Betrag verändert e werden. Dies kann durch den Phasenschieber
45 geschehen. Statt der Spule 33, die eine dem Differentialquotienten des Magnetwechselfeldes
entsprechende, d.h. um 900 in der Phase gedrehte Signalspannung
erzeugt,
kann auch ein magnetempfindliches Element vorgesehen sein, das im gegebenen Frequenzbereich
eine direkt dem Magnetwechselfeld proportionale Signalspannung abgibt. In diesem
Falle würde sich ohne einen zusätzlichen Phasenschieber 45 eine Frequenz gemäß dem
Phasenwinkel ff = 1800 bei den Schaulinien nach Figur 1 einstellen. Für welchen
Phasenwinkel ff man sich bei der Festlegung des Arbeitspunktes entscheidet, hängt
von der jeweiligen Problemstellung ab.
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Figur 4 zeigt ein Beispiel für den Fall, daß der Phasenwinkel ff nicht
durch Eigenerregung, sondern durch ein Regelsystem festgehalten wird. Ein Wechselstromgenerator
51 ist so aufgebaut, daß seine Frequenz f durch eine positive oder negative Steuer-0
spannung am Eingang 53 nach unterschiedlichen Richtungen verändert werden kann.
Zum Aufbau eines Magnetwechselfeldes oberhalb der Platte 1 wird über einen Widerstand
55 eine Erregerspule 57 mit dem Strom J gespeist. Unterhalb der Platte 1 ist eine
Empfängerspule 59 vorgesehen, deren Signalspannung Ue in einem Vorverstärker 61
verstärkt und einem phasenselektiven Gleichrichter 63 zugeführt wird. An den Steuereingang
65 des phasenselektiven Gleichrichters 63 gelangt, gegebenenfalls über einen Phasenschieber
67, die am Widerstand 55 abfallende Referenzspannung, die dem Strom LT und damit
dem erregenden Magnetwechselfeld proportional ist und ihm in der Phase entspricht.
Die Ausgangsspannung des phasenselektiven Gleichrichters 63 wird über einen hochverstärkenden
Regelverstärker 69 an den Steuereingang 53 des Wechselstromgenerators 51 gelegt.
Sie beträgt Null, wenn die Phasendifferenz zwischen der Signal- und der Referenzspannung
an den Eingängen des phasenselektiven Gleichrichters 63 bei 180 liegt und ändert
sich in positiver bzw. negativer Richtung, wenn die Phasendifferenz von diesem Wert
nach oben oder unten abweicht. Der Anzeige und Überwachung der Frequenz des Generators
51 dienen ein Frequenzmesser 49 bzw. dessen Ausgang 50.
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Zur Inbetriebnahme der Einrichtung nach Figur 4 wird zunächst die
mittlere Frequenz f0 des Wechselstromgenerators 51 auf einen Wert eingestellt, der
dem Arbeitspunkt in Figur 1 je nach elektrischer Leitfähigkeit und Wandstärke der
Platte 1, sowie je nach
der zusätzlichen Phasenverschiebung durch
Phasenschieber 67 und Empfängeranordnung 59 entspricht. Im vorliegenden Fall würde,
vorausgesetzt ein Phasenschieber 69 entfiele und die mittlere Dicke einer zu überwachenden
Messingwand läge bei 3,5 mm, eine Frequenz f von 1237 Hz eingestellt. Abweichungen
von der ge-0 nannten mittleren Dicke der Messingwand 1 hätten bei fester Frequenz
eine entsprechende Änderung der Phasendifferenz zwischen erregendem und empfangenem
Magnetwechselfeld und eine entsprechend hohe Steuerspannung am Ausgang des phasenselektiven
Gleichrichters 63 zur Folge. Wegen der hohen Verstärkung des Regelverstärkers 69
genügt bereits eine sehr kleine Steuerspannung des phasenselektiven Gleichrichters
63, um die Frequenz des Wechselstromgenerators 51 auf einen Wert zu steuern, der
praktisch den gleichen Phasenwinkel f wie zuvor herruft. Das heißt nichts anderes,
als daß sich der Arbeitspunkt wie im Falle nach Figur 3 entlang einer auf den Koordinatenursprung
gerichteten Geraden, hier der 900-Achse, bewegt. Der Phasenwinkel ff wird dabei
auf einem bestimmten Wert, hier 900, festgehaiten. Die sich dabei einstellende Frequenz
kann wiederum mittels Frequenzmesser 49 festgestellt werden.
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Die Einrichtung nach Figur 5 ermöglicht das Auffinden von Inhomogenitäten
an oder zwischen den Oberflächen 31 und 35 des Körpers 1, von Rissen, Lunkern oder
dgl. Bekanntlich eignet sich das Transmissionsverfahren besonders gut für die Ermittlung
von zwischen zwei Oberflächen gelegenen Fehlern. Dabei erweist sich häufig als störend,
daß die Fehlerempfindlichkeit der Sonden sehr stark von der Dicke des zu prüfenden
Materials sowie von dessen elektrischer Leitfähigkeit abhängt. Die Einrichtung nach
Figur 5 schafft hier Abhilfe, indem die Fehler sonde stets mit einer optimal an
das Prüfproblem, das heißt an Dicke und Leitfähigkeit des Materials angepaßten Frequenz
arbeitet, wobei sich diese Frequenz selbsttätig einstellt.
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Der größte Teil der Einrichtung nach Figur 5 entspricht genau der
Einrichtung nach Figur 4 und ist demgemäß mit den gleichen Bezugsziffern dargestellt.
Eine Beschreibung dieses Teils der Einrichtung erübrigt sich daher. Bei der Empfängeranordnung
71 werden zwei Spulen 73 und 75 benutzt, die in Aufbau und Dimensionierung
gleich
sind und miteinander in Differenz geschaltet sind. Der Ausgang dieser Differenzschaltung
ist an den Eingang einer Auswerteeinheit 77 gelegt, während die Spule 73 wie Spule
59 in Figur 4 am Eingang des Vorverstärkers 61 liegt. Die Signalspannung aus Spule
73 wird zusammen mit der am Widerstand 55 abfallenden Referenzspannung in der oben
beschriebenen Weise dazu benützt, die Phasendifferenz zwischen erregendem und empfangenem
Magnetwechselfeld unabhängig von der Dicke und der elektrischen Leitfähigkeit des
zu prüfenden Materials auf einem konstanten Wert zu halten. Die Differenzspulenanordnung
71 entwickelt in bekannter Weise ein Fehlersignal aufgrund einer von einem Fehler
hervorgerufenen inhomogenen Verteilung der Wirbelströme.
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Selbstverständlich kann, wenn dies zweckmäßig erscheint, auch jede
andere Form von Wirbelstromfehlersonden auf der der felderregenden Spulenanordnung
gegenüberliegenden Seite des Prüfteils 1 eingesetzt werden, also auch von der Spule
73 unabhängige.
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Das Transmissionsverfahren findet häufig Anwendung bei der Untersuchung
der Wände von Rohren. Hierbei werden sowohl Spulen benutzt, deren Spulenachse senkrecht
auf der Rohrwand steht, als auch solche, bei denen Spulenachse und Rohrachse parallel
zueinander verlaufen, oder sogar zusammenfallen. Die oben beschriebenen Einrichtungen
können unabhängig von der Art und Weise der Erregung und des Empfangs des Magnetwechselfeldes
angewendet werden, wann immer eine Durchdringung eines elektrisch leitenden Körpers
mit einander gegenüberliegenden Oberflächen durch ein Magnetwechselfeld stattfindet.
Besonders günstige Anwendungsfälle bieten sich dort, wo es auf eine genaue Überwachung
sehr kleiner Unterschiede über längere Zeiträume ankommt. Vpn solchen Fällen können-z.B.
genannt werden die Überwachung der Wand stärke eines Rohres unter dem Einfluß einer
korrodierenden Flüssigkeit oder die Überwachung der Leitfähigkeit eines Prüfteils
über den Zeitraum des Vorgang der Kaltaushärtung.
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