DE69615815T2

DE69615815T2 - Vorrichtung zur magnetischen fehlerdetektion

Info

Publication number: DE69615815T2
Application number: DE69615815T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Iwanaga; Hiroharu Kato; Kozo Maeda; Yoshihiro Murakami; Akio Nagamune; Junichi Yotsuji
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1995-10-31
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2016-11-01
Also published as: EP0801304A1; CN1146729C; TW340905B; EP0801304B1; DE69615815D1; WO1997016722A1; KR100246244B1; CN1169776A; EP0801304A4; US6057684A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Rissdetektionsvorrichtung zum Detektieren eines Mikrodefektabschnittes, wie z. B. eines Risses oder dergleichen, in einem zu untersuchenden ferromagnetischen Gegenstand, wie z. B. in verschiedenen Stahlblech-, Rohr-, Stangenmaterialen und dergleichen, mittels des Verfahrens des magnetischen Streuflusses.

STAND DER TECHNIK

Ein magnetisches Streuflussverfahren (magnetic leakage method) wird im großen Umfang als ein Verfahren zur Detektion eines Defekts in einer magnetischen Substanz, wie z. B. in einem Stahlband, verwendet. Die Theorie dazu ist in Fig. 1 dargestellt. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 11 einen magnetischen Sensor; 12 eine Magnetisierungseinrichtung; 13 einen zu untersuchenden Gegenstand, wie z. B. ein Stahlband oder dergleichen; 14 einen Defekt und 15 den magnetischen Fluss. Der Gegenstand 13 wird durch die Magnetisierungseinrichtung 12 magnetisiert. Ein großer Teil des von der Magnetisierungseinrichtung 12 erzeugten Flusses durchdringt den Gegenstand 13, der eine kleine magnetische Reluktanz aufweist. Wenn ein Defekt 14 in dem Werkstück 13 vorliegt, wird jedoch der Durchtritt des magnetischen Flusses durch den Defekt 14 so behindert, dass ein Teil des magnetischen Flusses in die Luft streut. Dieser Streufluss wird von dem magnetischen Sensor 11 detektiert, um dadurch das Vorliegen eines Defektes 14 zu detektieren.
Ein Hall-Element, ein magnetisches Reluktanzelement, ein magnetisches Halbleiterelement oder dergleichen wird als magnetischer Sensor 11 verwendet. Als weitere Beispiele des magnetischen Sensors, wird eine magnetische Rissdetektionsspule verwendet, die aus einer Spule besteht, die auf einen zylindrischen Eisenkern gewickelt ist, wie es in der ungeprüften Japanischen Patentoffenlegung Nr. Sho-59-160750 offenbart ist, oder es wird eine magnetische Rissdetektionsspule verwendet, die durch eine Spule aufgebaut ist, die auf einen ferromagnetischen Kern gewickelt ist, welche mit einem Wechselstrom versorgt wird, um dadurch den Unterschied zwischen einer positivseitigen Spannung und einer negativseitigen Spannung zu detektieren, die über den gegenüberliegenden Enden der Rissdetektionsspule erzeugt werden, wie es in der ungeprüften japanischen Patentoffenlegung Nr. Hei-2-162276 offenbart ist.
Fig. 2 ist eine erläuternde Ansicht zur Erläuterung des Betriebs einer herkömmlichen Rissdetektionsspule (Suchspule). Wie in der Zeichnung dargestellt ist, besteht eine Suchspule 21 aus einem ferromagnetischen Kern 22 und einer auf den Kern 22 gewickelten Spule 23. Eine Spannung V, welche beispielsweise induziert wird, wenn ein Elektromagnet 24 sich der Suchspule 21 annähert, so dass er einen magnetischen Wechselfluss über dem Kern erzeugt, ist durch den nachstehenden Ausdruck (1) gegeben:
wobei u2 die effektive magnetische Permeabilität des ferromagnetischen Kerns 22 ist, H die Intensität eines magnetischen Feldes, welches den ferromagnetischen Kern 22 durchdringt, ist, N die Anzahl der Wicklungen der Spule 23 ist, S die Querschnittsfläche des magnetischen Kerns 22 ist und φ der den ferromagnetischen Kern 22 durchdringende magnetische Fluss ist.
Wie aus dem Ausdruck (1) ersichtlich ist, wird eine Spannung V, die proportional ist zu der Intensität H eines magnetischen Feldes, welches den ferromagnetischen Kern 22 durchdringt, und zu der Änderung der Intensität eines magnetischen Feldes in Intervallen einer Zeiteinheit, in der Spule 23 induziert, wenn die Querschnittsfläche S des ferromagnetischen Kerns 22, dessen effektive magnetische Permeabilität u2 und die Anzahl der Wicklung N der Spule fest sind.
Der Verlauf einer in die Spule 23 in der herkömmlichen Suchspule 21 induzierten Spannung zu dem Zeitpunkt, zu dem sich die Position der Suchspule 21 relativ zu dem Elektromagneten verändert, wird nachstehend beschrieben.
Fig. 3 ist eine typische Ansicht für die Erläuterung einer in die Suchspule zu dem Zeitpunkt, zu dem sich die Position der Suchspule relativ zu dem Elektromagneten verändert, induzierten Spannung. Fig. 4A und B sind Kennlinien der Detektionsempfindlichkeit der Suchspule zu dem Zeitpunkt, zu dem sich die Position der Suchspule relativ zu dem Elektromagneten verändert.
Wenn der Elektromagnet (in der X-Achsenrichtung) bewegt wird, so dass er die Mittenachse Xc des ferromagnetischen Kerns 22 senkrecht schneidet, nimmt die in der Spule 23 induzierte Spannung V zu, wenn sich der Elektromagnet 24 der Mittenachse Xc annähert, so dass die Spannung V maximiert wird, wenn der Elektromagnet 24 die Mittenachse Xc quert, und andererseits nimmt die in der Spule 23 induzierte Spannung V ab, wenn sich der Elektromagnet 24 von der Mittenachse Xc entfernt, so dass eine normale Verteilungskurve erhalten wird (siehe Fig. 4A). Andererseits nimmt, wenn der Elektromagnet 24 (in der Y- Achsenrichtung) auf einer Linie Yc senkrecht zu der Mittenachse Xc bewegt wird, die in die Spule 23 induzierte Spannung V zu, bevor die Spannung V einen gewissen Punkt erreicht und die Spannung V abfällt, nachdem die Spannung V ihren Maximum zeigte, so dass die Spannung V zu Null wird wenn der Elektromagnet 4 die Linie Yc quert (siehe Fig. 4B).
Im übrigen war der bisher zu detektierende Defekt in dem dünnen Stahlband ein relativ großer Defekt, welcher als eine Walzstrieme bezeichnet wird. Mit der Zunahme der Anwendung solcher Stahlbänder auf dem industriellen Gebiet, wird jedoch seit neustem die Detektion kleinerer Einschlüsse erforderlich. Beispielsweise wurde es erforderlich einen Einschluss mit einem Volumen nicht größer als 10&supmin;³ mm³ zu detektieren.
Bei der Detektion eines derartigen Mikrodefektes, weist der magnetische Sensor einschließlich der vorstehend erwähnten Suchspule die nachstehenden Probleme auf.
(1) Ein Hall-Element oder eine magnetische Diode kann die Intensität eines statischen magnetischen Feldes messen, kann aber nicht bei der hoch genauen magnetischen Streufluss- Rissdetektion eingesetzt werden, da sein bzw. ihre Kennlinie variiert und die Ausgangsspannung oder dergleichen sich abhängig von der Temperaturveränderung verändert.
(2) Ferner weist die herkömmliche Suchspule gute Temperatureigenschaften auf, aber es wird eine induzierte Spannung V, welche der Intensität eines externen magnetischen Feldes entspricht, in der Spule 23 in der Aufwärts/Abwärts-Richtung bezüglich der Längsrichtung des ferromagnetischen Kerns 22 und in der Außenumfangsrichtung der Spule 23 erzeugt. Demzufolge wird eine Störspannung aufgrund eines nicht notwendigen Störmagnetflusses gleichzeitig induziert, so dass die Leistungsfähigkeit der Rissdetektion verringert wird, wenn die Suchspule für eine Rissdetektion mittels magnetischem Streufluss gemäß Darstellung in Fig. 4A und Fig. 4B verwendet wird.
(3) Ferner muss bei jedem der herkömmlichen Verfahren der Abstand (Höhenabstand) zwischen dem Stahlband und dem magnetischen Sensor verringert werden, um einen Mikrodefekt zu detektieren. Als eine Maßnahme dafür wird ein Schwebeverfahren des magnetischen Sensors auf Luft eingesetzt, um den Höhenabstand auf einen kleinen Wert von etwa 0,1 mm zu halten, wie es in der ungeprüften Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 61- 119759 offenbart ist. Dieses Verfahren weist jedoch ein Problem bezüglich der zunehmenden Möglichkeit eines Kratzens/Schabens des magnetischen Sensors an dem Stahlband oder dergleichen auf.
(4) Wenn der Höhenabstand verringert wird, um einen Mikrodefekt zu detektieren, wird der Sensor leicht durch eine Störung, wie z. B. eine Vibration des Stahlbands oder dergleichen beeinflusst und nimmt leicht Hintergrundstörungen (Störungen aufgrund magnetischer Verzerrung, Oberflächenrauhigkeit, Spannungsverzerrungen usw. der Stahlblech) oder dergleichen auf, was durch die magnetische Unregelmäßigkeit des Stahlbands verursacht wird. Demzufolge ist es schwierig, einen ausreichenden S/N-Wert zu erhalten.
(5) Der größte Teil der Frequenzkomponente eines Defektdetektionssignals überlappt die Frequenzkomponente der Hintergrundstörung, so dass eine Verbesserung des S/N-Wertes nicht ausreichend mittels eines Filters oder dergleichen erreicht werden kann.
(6) Um einen kleineren Defekt zu detektieren, muss das Stahlband intensiver magnetisiert werden, so dass ein durch den Defekt bedingter Streufluss effizient erzeugt wird. Ein schwebender magnetischer Fluss (floating magnetic flux) (ein magnetischer Fluss welcher einen magnetischen Pol einer Magnetisierungseinrichtung von einem weiteren magnetischen Pol über die Luft erreicht) welcher in der Nachbarschaft des Stahlbands erzeugt wird, wird jedoch ebenfalls größer, so dass der magnetische Sensor gesättigt sein kann, was eine Verringerung der Detektionsempfindlichkeit mit sich bringt.
Die japanische Patentanmeldung Nr. JP-A-08193980 offenbart eine magnetische Rissdetektionsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die japanische Patentanmeldung Nr. JPA-64072052 offenbart eine magnetische Rissdetektionsvorrichtung zum Detektieren von Rissen in einem sich bewegenden Stahlband, ebenfalls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 0 523 249 und die europäische Patentanmeldung Nr. 0 544 911 offenbaren beide magnetische Rissdetektionsvorrichtungen und beschreiben, wie die Sensorabmessungen und der Abstand zwischen dem Sensor und dem Werkstück das Verhalten beeinflussen kann.
Die britische Patentanmeldung Nr. 2 262 346, die Japanische Patentanmeldung Nr. JP-A-07225220 und die japanische Patentanmeldung Nr. JP-Y-04030540 offenbaren die Einstellung einer Durchlassbandbreite für ein Filter unter Verwendung der Bewegungsgeschwindigkeit eines zu untersuchenden Werkstückes in einer magnetischen Rissdetektionsvorrichtung.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer magnetischen Rissdetektionsvorrichtung, in welcher eine hochgenaue Detektion mittels eines magnetischen Streuflusses durchgeführt werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer magnetischen Rissdetektionsvorrichtung, in welcher ein durch den Mikrodefekt des Werkstückes bewirkter schwacher und lokaler Streufluss effizient mit einem hohen S/N-Wert detektiert werden kann, ohne dass der Höhenabstand sehr klein gemacht wird.
Ein E-förmiger magnetischer Sensor zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist ein magnetischer Sensor zur Detektion des magnetischem Flusses, der aufgrund eines Defektabschnittes eines zu untersuchenden magnetisierten Werkstückes erzeugt wird, wobei der Sensor aufweist: einen E-förmigen Kern aus einer ferromagnetischen Substanz mit davon vorstehenden Abschnitten, welche in der Nachbarschaft des Werkstückes angeordnet sind; und eine Suchspule, die auf einen mittig hervorstehenden Abschnitt des E-förmigen Kerns gewickelt ist, um den magnetischen Fluss zu detektieren. Die ferromagnetische Substanz des E-förmigen Kerns hat eine anfängliche magnetische Permeabilität nicht kleiner als 2000.
Bei einem E-förmigen magnetischen Sensor zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung, durchdringt das schwebende externe magnetische Feld (floating external magnetic field) in dem Umkreis des E-förmigen magnetischen Sensors die hervorstehenden Abschnitte an gegenüberliegenden Seiten des E-förmigen Kerns, durchdringt aber nicht den mittig hervorstehenden Abschnitt des E-förmigen Kerns. Demzufolge wird keine Spannung in der Suchspule durch das externe magnetische Feld induziert. Demzufolge wird die Richtwirkung gegenüber dem externen magnetischen Feld verbessert und die Erzeugung der Störungsspannung aufgrund des externen Magnetfeldes unterdrückt, so dass eine Verbesserung des S/N-Wertes zum Zeitpunkt der Rissdetektion erzielt wird. Ferner wird die Empfindlichkeit bei der Detektion eines schwachen magnetischen Feldes verbessert, da der Wert der anfänglichen magnetischen Permeabilität der ferromagnetischen Substanz, welche den E-förmigen Kern bildet, so gewählt ist, dass sie nicht kleiner als 2000 ist,.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine magnetische Rissdetektionsvorrichtung auf:
eine Magnetisierungseinrichtung zum Magnetisieren eines sich bewegenden zu untersuchenden Gegenstandes;
einen E-förmigen magnetischen Sensor mit einem E-förmigen Kern aus einer ferromagnetischen Substanz, der drei in der Nachbarschaft des Gegenstandes angeordnete hervorstehende Abschnitte, welche magnetische Pole ausbilden, aufweist, und einer Suchspule, die auf einen mittig hervorstehenden Abschnitt des E-förmigen Kerns gewickelt ist, um einen magnetischen Fluss aufgrund eines Defektabschnittes des magnetisierten Gegenstandes zu detektieren;
eine Abschirmplatte aus einer ferromagnetischen Substanz zum magnetischen Abschirmen des magnetischen Sensors,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aufweist:
eine Eckfrequenz-Einstelleinrichtung zum Einstellen einer Eckfrequenz F auf der Basis des Abstandes zwischen den Mittelpunkten jedes hervorstehenden Abschnittes, eines Höhenabstands, welcher der Abstand zwischen dem Gegenstand und dem E-förmigen Kern ist, und der Bewegungsgeschwindigkeit des Gegenstands, und
ein Hochpassfilter zum Verarbeiten eines Ausgangssignals des E-förmigen magnetischen Sensors mit einer Eckfrequenz, die durch die Eckfrequenz-Einstelleinrichtung bestimmt ist.
Da die magnetische Rissdetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung den vorstehend erwähnten E-förmigen magnetischen Sensor verwendet, kann der Einfluss eines schwebenden magnetischen Feldes, von Hintergrundstörung und Schwingung des Werkstücks verringert werden, so dass der Höhenabstand relativ groß gewählt werden kann. Demzufolge kann die Untersuchung in einem stabilen Betrieb ohne Verringerung der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstückes durchgeführt werden. Ferner kann, eine Trennung von der Hintergrundstörung, welcher einen großen Anteil einer niedrigen Frequenzkomponente enthält, leicht durchgeführt werden, so dass eine Verbesserung des S/N-Wertes erreicht werden kann, da die Frequenzkomponente des Detektionssignals hoch wird.
Die magnetische Rissdetektionsvorrichtung weist ferner eine Abschirmplatte/ein Abschirmblech aus einer ferromagnetischen Substanz zur magnetischen Abschirmung des E-förmigen magnetischen Sensors auf. Durch die Anordnung einer derartigen Abschirmplatte wird der E-förmige magnetische Sensor in einem intensiven magnetischen Feld, das von der Magnetisierungseinrichtung erzeugt wird, kaum gesättigt, und demzufolge kann die Magnetisierungskraft erhöht werden, so dass ein intensives Detektionssignal erzielt wird. Auf diese Weise kann die Detektion eines Mikroeinschlusses nicht größer als 10&supmin;³ mm³ durchgeführt werden.
Ferner weist in einer weiteren erfindungsgemäßen magnetischen Rissdetektionsvorrichtung die Magnetisierungseinrichtung ein Paar Magnetisierungsmagnetpole auf; und der E-förmige magnetische Sensor ist zwischen dem Paar der Magnetisierungsmagnetpole angeordnet.
Ein weiterer erfindungsgemäßer magnetischer Rissdetektionssensor weist ferner ein Wellenlager, um die Magnetisierungseinrichtung zu fixieren, und eine nicht-magnetische Walze, innerhalb welcher die Magnetisierungseinrichtung angeordnet ist und welche drehbar von dem Wellenlager gelagert wird, auf, wobei der Gegenstand auf der nicht-magnetischen Walze so bewegt wird, dass der E-förmige magnetische Sensor der nicht- magnetischen Walze durch den Gegenstand hindurch gegenüberliegt.
Ferner ist bei einer weiteren erfindungsgemäßen magnetischen Rissdetektionsvorrichtung der Gegenstand ein bandförmiges Metall, welches sich bewegt; und eine Reihe von drei magnetischen Polen des E-förmigen Kerns ist entlang der Bewegungsrichtung des Werkstückes angeordnet.
Ferner verwendet eine weitere erfindungsgemäße magnetische Rissdetektionsvorrichtung einen E-förmigen magnetischen Sensor mit einem magnetischen Polabstand D und mit einer magnetischen Poldicke E, welche dem folgenden Ausdruck genügen:
1 < (D + E)/L < 4
wobei L ein Höhenabstand des E-förmigen Kerns ist.
Ferner verwendet eine weitere erfindungsgemäße magnetische Rissdetektionsvorrichtung einen E-förmigen magnetischen Sensor mit einer Sensorbreite W, welche dem folgenden Ausdruck genügt:
1 < W/L.
Ferner sind bei einer weiteren erfindungsgemäßen magnetischen Rissdetektionsvorrichtung der E-förmige Kern und das magnetische Abschirmblech so angeordnet, dass ein Spalt Gs zwischen dem E-förmigen Kern und der magnetischen Abschirmung dem folgenden Ausdruck genügt:
S/10 < Gs
wobei S die Dicke der Abschirmplatte ist.
Ferner sind bei einer weiteren erfindungsgemäßen magnetischen Rissdetektionsvorrichtung E-förmige magnetische Sensoren in einer Linie in der Breitenrichtung eines zu untersuchenden Werkstückes in Intervallen mit einem Raster P1 angeordnet ist, welches den nachstehenden Ausdruck erfüllt, und Ausgangssignale der E-förmigen magnetischen Sensoren, welche benachbart sind, werden aufaddiert, um für die Defektdetektion verwendet zu werden:
P1 < 1,6 W,
wobei W die Breite von jedem der E-förmigen magnetischen Sensoren ist.
Ferner sind bei einer weiteren erfindungsgemäßen magnetischen Rissdetektionsvorrichtung die E-förmigen magnetischen Sensoren in einer Zick-Zack-Anordnung in der Breitenrichtung des Werkstückes in Intervallen mit einem Raster P2 angeordnet, welches dem folgenden Ausdruck genügt, und das größere von den Ausgangssignalen der E-förmigen magnetischen Sensoren, welche einander in der Breitenrichtung überlappen wird für die Defektdetektion verwendet:
P2 < 0,9 W,
wobei W die Breite von jedem der E-förmigen magnetischen Sensoren ist.
Die erfindungsgemäße magnetische Rissdetektionsvorrichtung weist ferner ein Hochpassfilter mit einer Eckfrequenz F auf, die auf der Basis des Abstandes zwischen den Mitten der magnetischen Pole in dem E-förmigen magnetischen Sensor, des Höhenabstandes und der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstückes für die Verarbeitung eines Ausgangssignals aus dem E-förmigen magnetischen Sensor bestimmt ist. Die Hintergrundstörung wird durch dieses Hochpassfilter reduziert, so dass der Defekt mit einem optimalen S/N-Wert detektiert werden kann.
Ferner ist bei einer weiteren erfindungsgemäßen magnetischen Rissdetektionsvorrichtung der Gegenstand ein laufendes dünnes Stahlband, welcher sich bewegt; und der Defektabschnitt des Werkstücks ist ein Mikroeinschluss in dem dünnen Stahlband.
Die erfindungsgemäße Rissdetektionsvorrichtung weist ferner einen Eckfrequenz-Einstelleinrichtung auf, die als Eingangswerte die Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstückes und/oder den Höhenabstand L (mm) erhält und eine optimale Eckfrequenz des Hochpassfilters automatisch einstellt. Die Einstellung der Eckfrequenz-Einstelleinrichtung wird automatisch verändert, um eine optimale Eckfrequenz entsprechend dem Abstand zwischen den magnetischen Polen, dem Höhenabstande und der Geschwindigkeit des Werkstückes zu erhalten, so dass der Defekt immer mit einem optimalen S/N-Wert detektiert werden kann.
Ferner wird bei einer weiteren erfindungsgemäßen magnetischen Rissdetektionsvorrichtung die Eckfrequenz F auf einen Bereich ± 20% bezüglich einer Frequenz F (Hz) eingestellt, welche dem folgenden Ausdruck genügt:
F = V · (3188 - 675L) · (850 + 2000/P)/(1,4 · 10&sup7;)
wobei P (mm) der Abstand zwischen den Mitten der magnetischen Pole des E-förmigen magnetischen Sensors, L (mm) der Höhenabstand und V (mm/s) die Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstückes ist.
Im übrigen werden die entsprechenden technischen Gründe für die vorstehend erwähnten Ungleichungen und Gleichungen aus den nachstehenden Ausführungsformen ersichtlich. Ein magnetisches Rissdetektionsverfahren unter Verwendung einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung weist die Schritte auf: Magnetisieren eines zu untersuchenden Werkstückes; und Detektieren des durch die Magnetisierung in dem vorhergehenden Schritt in einem defekten Abschnitt des Werkstückes erzeugten magnetischen Flusses mittels einer Suchspule eines E-förmigen magnetischen Sensors.
Ein weiteres magnetisches Rissdetektionsverfahren unter Verwendung einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung weist ferner den Schritt einer Kompensation eines in der Suchspule induzierten Signals auf der Basis der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstückes auf.
Ferner wird bei einem weiteren magnetischen Detektionsverfahren unter Verwendung einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung die Kompensation so durchgeführt, dass das in der Suchspule induzierte Signal umgekehrt proportional zu der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstückes gemacht wird. Durch diese Kompensation kann eine konstantes Defektausgangssignal unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstückes erhalten werden.
Ferner wird bei einem weiteren magnetischen Rissdetektionsverfahren unter Anwendung einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung der Gegenstand über ein nicht-magnetisches Material während des Magnetisierungsschritts des Gegenstandes magnetisiert.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine theoretische Ansicht eines Magnetstreuflussverfahrens zur Detektion eines Defektes in einer magnetischen Substanz.
Fig. 2 ist eine erläuternde Darstellung zur Erläuterung des Betriebs einer herkömmlichen Rissdetektionspule (Suchspule).
Fig. 3 eine typische Ansicht zur Erläuterung einer in der Suchspule induzierten Spannung, wenn die Position der Suchspule in Bezug auf den Elektromagneten verändert wird.
Fig. 4A und 4B sind Kennlinienkurven der Detektionsempfindlichkeit der Suchspule, wenn die Position der Suchspule in Bezug auf den Elektromagneten verändert wird.
Fig. 5 ist eine Ansicht, welche die Konfiguration eines E- förmigen magnetischen Sensors zur Verwendung bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 6 ist eine typische Ansicht zur Erläuterung des Betriebs des in Fig. 5 dargestellten E-förmigen magnetischen Sensors, wenn die Position des E-förmigen magnetischen Sensors in Bezug auf den Elektromagneten verändert wird.
Fig. 7 ist eine Kennlinienkurve, welche die Detektionsempfindlichkeit des in Fig. 5 dargestellten E-förmigen magnetischen Sensors zeigt, wenn die Position des E-förmigen magnetischen Sensors in Bezug auf den Elektromagneten verändert wird.
Fig. 8 ist eine Kennlinienkurve, welche die Kennlinie der Halbwertsbreite einer induzierten Spannung darstellt, wenn der Abstand zwischen den magnetischen Polen in dem E-förmigen Kern verändert wird.
Fig. 9 ist eine Konfigurationsansicht in dem Fall, bei dem der E-förmige magnetische Sensor von Fig. 5 für eine Streufluss-Rissdetektion verwendet wird.
Fig. 10A bis 10C sind erläuternde Darstellungen, welche zeitlich hintereinander den Durchtritt eines von einem Defektabschnitt erzeugten Streuflusses bezogen auf die Pole in den E- förmigen Kern darstellen.
Fig. 11A und 11B sind Kurven, welche die Wellenform des magnetischen Flusses, der die Suchspule durchdringt, und Wellenformen der induzierten Spannung darstellen.
Fig. 12 ist eine Kurve, welche den Amplitudenwert eines Ausgangssignals in dem Fall darstellt, bei welchem ein künstlich erzeugter Defektabschnitt in einem Stahlblech als zu untersuchendem Gegenstand detektiert wird.
Fig. 13 ist eine Kennlinienkurve, welche die Detektionsempfindlichkeit des magnetischen Sensors abhängig von der magnetischen Pollänge des E-förmigen Kerns darstellt.
Fig. 14 ist eine Kennlinienkurve, welche die Detektionsempfindlichkeit des magnetischen Sensors abhängig von der anfänglichen magnetischen Permeabilität des E- förmigen Kerns darstellt.
Fig. 15 ist eine Kennlinienkurve, welche die Detektionsempfindlichkeit des magnetischen Sensors abhängig von dem Abstand der magnetischen Pole des E-förmigen Kerns darstellt.
Fig. 16 ist eine Außenansicht des E-förmigen magnetischen Sensors, der auf einem oberen Abschnitt eines Stahlblechs als zu untersuchendem Gegenstand angeordnet ist.
Fig. 17A ist eine Kennlinienkurve, welche den Einfluss von (D + E)/L auf ein Detektionssignal von einem Defekt von etwa 10&supmin;³ mm³ in dem zu untersuchenden Stahlblech 13 und die Hintergrundstörung darstellt.
Fig. 17B ist eine Kennlinienkurve, welche den S/N-Wert für den Fall darstellt, bei welchem (D + E)/L verändert wird.
Fig. 18 ist eine Kennlinienkurve, welche die Veränderung einer Ausgangsspannung des E-förmigen magnetischen Sensors für den Fall darstellt, bei welchem (D + E) konstant gehalten wird und bei welchem das Verhältnis E/D der magnetischen Poldicke E zu dem magnetischen Polabstand D verändert wird.
Fig. 19A ist eine charakteristische Kennlinienkurve, welche die Beziehung eines Detektionssignals von einem Defekt von etwa 10&supmin;³ mm³ in dem Stahlblech und die Hintergrundstörung bezogen auf W/L darstellt.
Fig. 19B ist eine Kennlinienkurve, welche den S/N-Wert für den Fall darstellt, bei welchem W/L verändert wird.
Fig. 20 ist eine erläuternde Darstellung, welche eine Konfiguration darstellt, bei welcher eine magnetische Abschirmplatte aus einer ferromagnetischen Substanz in der Außenseite des E-förmigen magnetischen Sensors angeordnet ist.
Fig. 21A ist eine Kennlinienkurve, welche die Detektionsempfindlichkeit in der Breitenrichtung des E-förmigen magnetischen Sensors in Bezug auf einen Defekt von etwa 10&supmin;³ mm³ darstellt.
Fig. 21B ist eine Kennlinienkurve, welche die Detektionsempfindlichkeit abhängig von dem Verhältnis W/L der Sensorbreite zu dem Höhenabstand L darstellt.
Fig. 22A und 22B sind erläuternde Darstellungen, welche Beispiele der Anordnung des E-förmigen magnetischen Sensors darstellen.
Fig. 23 ist ein Blockschaltbild, welches die Konfiguration eines Teils einer magnetischen Rissdetektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 24 ist eine erläuternde Darstellung, welche ein Detail der Magnetisierungseinrichtung darstellt.
Fig. 25 ist eine Kurve, welche die Wellenform eines künstlichen Defekts darstellt, der von der Rissdetektionsvorrichtung gemäß der Ausführungsform von Fig. 23 detektiert wird.
Fig. 26 ist eine grafische Darstellung, welche eine Wellenform für den Fall darstellt, bei welchem ein natürlicher Defekt detektiert wird.
Fig. 27A ist eine Kennlinienkurve, welche die Empfindlichkeitsverteilung in der Breitenrichtung des Stahlblechs in der magnetischen Rissdetektionsvorrichtung (Sensorfeld-Anordnung) gemäß der Ausführungsform von Fig. 23 darstellt.
Fig. 27B ist eine Kennlinienkurve, welche die Empfindlichkeitsverteilung in der Breitenrichtung des Stahlblechs in der magnetischen Rissdetektionsvorrichtung (Zick-Zack-Anordnung) gemäß der Ausführungsform von Fig. 23 darstellt.
Fig. 28 ist eine Kennlinienkurve, welche die Intensität der Frequenzkomponente eines Defektsignals unter Hintergrundstörung in dem Detektionssignal für den Fall darstellt, bei welchem der E-förmige magnetische Sensor verwendet wird.
Fig. 29 ist eine Kennlinienkurve, welche ein Beispiel der Veränderung des S/N-Wertes für den Fall darstellt, bei dem die Eckfrequenz des Hochpassfilters verändert wird.
Fig. 30 ist eine Kennlinienkurve, welche die optimale Eckfrequenz F (Hz) des Hochpassfilters für eine Maximierung des S/N-Wertes für den Fall darstellt, bei welchem die magnetische Polgröße des E-förmigen magnetischen Sensors konstant gehalten wird und bei dem der Höhenabstand L (mm) verändert wird.
Fig. 31 ist eine Kennlinienkurve, welche die optimale Eckfrequenz F (Hz) des Hochpassfilters für die Maximierung des S/N- Wertes für den Fall darstellt, bei welchem der Höhenabstand L konstant gehalten wird, und bei welchem der Abstand P (mm) zwischen den Mittelpunkten der magnetischen Pole in dem E- förmigen magnetischen Sensor verändert wird.
Fig. 32 ist ein Blockschaltbild, welches die Konfiguration der magnetischen Rissdetektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform darstellt, bei welcher die vorstehend erwähnte Eckfrequenz F so ausgelegt ist, dass sie entsprechend der Bedingung der Rissdetektion verändert werden kann.
Fig. 33 ist ein Schaltbild eines Integrationsverstärkers, der als der in Fig. 23 und 32 dargestellte Verstärker verwendet werden kann; und
Fig. 34 ist eine Kennlinienkurve, welche die Detektionsempfindlichkeit der Kennlinie abhängig von der Geschwindigkeitskurve des Stahlblechs für den Fall darstellt, bei welchem ein Bohrloch mit einem Lochdurchmesser von 0,1 mm unter Verwendung des in Fig. 33 dargestellten Integrationsverstärkers als Defekt detektiert wird.

BESTE MÖGLICHKEIT DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 5 ist eine Ansicht, welche die Konfiguration eines E- förmigen magnetischen Sensors zur Anwendung in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Der E-förmige magnetische Sensor wird von einem E-förmigen Kern 51 aus einer ferromagnetischen Substanz und einer Suchspule 52 gebildet, welche durch Wickeln einer Spule 23 auf einen mittigen magnetischen Pol 51b des E-förmigen Kerns 51 hergestellt wird. Nur wenn ein externes magnetisches Feld H auf den mittigen Magnetpol 51b einwirkt und entweder einer von den entgegengesetzten magnetischen Polen 51a und 51c (hierin nachstehend als linker magnetischer Pol 51a und als rechter magnetischer Pol 51c bezeichnet) von unterhalb einwirkt, wird eine Spannung V, welche der Intensität des magnetischen Feldes und dessen Änderung entspricht, zwischen den Ausgangsenden A und B der Spule 23 erzeugt. Im übrigen wird ein Material mit großer magnetischer Permeabilität und kleiner Koerzitivkraft, wie z. B. ein Permalloykern, ein Ferritkern oder dergleichen für den E-förmigen Kern 51 aus einer ferromagnetischen Substanz verwendet. Ferner ist gemäß Darstellung in der Zeichnung eine Reihe der drei Pole, bestehend aus dem linken magnetischen Pol 51a, dem mittigen magnetischen Pol 51b und dem rechten magnetischen Pol 51c entlang der Bewegungsrichtung eines Stahlblechs 13, als einem zu untersuchendem Gegenstand angeordnet.
Der gemäß vorstehender Beschreibung konfigurierte E-förmige magnetische Sensor 50 ist so ausgelegt, dass ein externes magnetisches Feld niemals den mittigen Magnetpol 51b in dem Fall durchdringt, in dem das externe magnetische Feld H auf irgendwelche andere Positionen als die vorstehend erwähnte Position einwirkt. Dieser Gesichtspunkt wird auf der Basis einer in Fig. 6 dargestellten typischen Ansicht beschrieben.
Fig. 6 ist eine typische Ansicht zur Erläuterung des Betriebs des E-förmigen magnetischen Sensors in dem Fall, in welchem die Position des E-förmigen magnetischen Sensors in Bezug auf den Elektromagneten verändert wird. Wenn die relative Position des E-förmigen magnetischen Sensors und des Elektromagneten verändert wird, arbeitet der E-förmige magnetische Sensor wie folgt:
(1) Wenn ein von dem Elektromagneten 24 erzeugtes externes magnetisches Feld H auf den linken magnetischen Pol 51a des E-förmigen Kerns 51 einwirkt, durchdringt das externe magnetische Feld H den linken magnetischen Pol 51a so, dass es mit dem Elektromagneten 24 zusammenwirkt um einen magnetischen Kreis zu bilden. In diesem Fall wird keine Spannung in der Suchspule 52 induziert, da das magnetische Feld H niemals den mittigen Magnetpol 51b durchdringt.
(2) Auch wenn ein externes magnetisches Feld H auf den rechten magnetischen Pol 51c einwirkt, wird keine Spannung V zwischen den Ausgangsenden A und B der Spule 23, die auf den mittigen Magnetpol 51b gewickelt ist, erzeugt, da das externe magnetische Feld H niemals den mittigen Magnetpol 51b in der in Abschnitt (1) beschriebenen Weise durchdringt.
(3) Auch wenn ein externes magnetisches Feld H so ausgebildet ist, dass es auf den E-förmigen Kern 11 von oben einwirkt, arbeitet das externe magnetische Feld H mit dem Elektromagneten 24 so zusammen, dass es einen magnetischen Kreis in derselben Weise in den vorstehend erwähnten Abschnitten (1 und 2) bildet, so dass keine Spannung in der Suchspule 53 induziert wird, da das externe magnetische Feld H niemals den mittigen Pol 51b des E-förmigen Kerns 51 durchdringt. Im übrigen durchdringt das magnetische Feld H den mittigen Pol 51b in dem Fall, in dem die externe magnetische Kraft H in dem Zustand (3) zu intensiv ist, oder in dem Fall, in dem die Dicke des Kerns 51 nicht ausreicht, so dass eine gewisse Spannung, obwohl diese niedrig ist in der Suchspule 52 induziert werden kann.
Die Detektionsempfindlichkeit des E-förmigen magnetischen Sensors 50 wird nachstehend beschrieben.
Fig. 7 ist eine Kennlinienkurve, welche die Detektionsempfindlichkeit des magnetischen Sensors in dem Fall darstellt, in dem die Position des E-förmigen magnetischen Sensors in Bezug auf den Elektromagneten verändert wird. Diese Kennlinienkurve stellt die Detektionsempfindlichkeit in dem Fall dar, in dem die Dicke jedes magnetischen Poles 51a, 51b und 51c in dem E-förmigen Kern 51 1,0 mm beträgt, der Abstand D der magnetischen Pole 1,0 mm beträgt, die Länge Lc jedes der magnetischen Pole 51a, 51b und 51c 3 mm beträgt und die Anzahl der Wicklungen der Spule 3 100 Umwicklungen ist.
Wie aus dieser Kurve offensichtlich ist, wird, wenn der Elektromagnet 24 quer zu der Mittenachse Xc des mittigen Magnetpols 51b des E-förmigen Kerns 51 bewegt wird, die in die Suchspule 52 induzierte Spannung zu dem Zeitpunkt maximiert, zu dem der Elektromagnet 24 die Mittenachse Xc erreicht und deshalb die Ausgangsspannung V eine glockenartige Kennlinie aufweist. Ferner beträgt die Halbwertsbreite w bei -6dB etwa 0,8 mm.
Die Halbwertsbreite der in der Suchspule 52 induzierten Spannung wird für den Fall, in dem der Abstand D zwischen den magnetischen Polen verändert wird, nachstehend beschrieben.
Fig. 8 ist eine Kennlinienkurve, welche die Kennlinie der Halbwertsbreite der induzierten Spannung für den Fall darstellt, bei welchem der Abstand des magnetischen Pols des E- förmigen Kerns der Suchspule verändert wird. Diese Kennlinienkurve stellt die Kennlinie für dem Fall dar, für den die Dicke E jedes der magnetischen Pole 51a, 51b und 51c in dem E-förmigen Kern 51 1,0 mm beträgt, die Länge Lc jedes der magnetischen Pole 51a, 51b und 51c 3,0 mm beträgt, die Anzahl der Wicklungen N der Spule 3 100 Umwicklungen beträgt, und der Abstand der magnetischen Pole D auf 0,5 mm, 1,0 mm, 2,0 mm und 3,0 mm verändert wird. Die Halbwertsbreite der in die Suchspule 52 induzierten Spannung nimmt zu, wenn der Abstand D der magnetischen Pole zunimmt. In diesem Fall verändert sich die Kennlinie von der Glockenkennlinie auf eine breite Kennlinie.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass ein von einem Defekt erzeugter Streufluss effizient detektiert werden kann, wenn der Abstand der magnetischen Pole des E- förmigen Kerns entsprechend der Größe des zu detektierenden Defekts eingestellt wird.
Fig. 9 ist eine Konfigurationsansicht für den Fall, bei welchem der vorstehend erwähnte E-förmige magnetische Sensor als Streufluss-Rissdetektion verwendet wird, und Fig. 10A bis 10C sind Erläuterungsansichten, welche in zeitlicher Folge den Durchtritt des von einem defekten Abschnitt erzeugten Streuflusses durch die magnetischen Pole des E-förmigen Kerns darstellen. Der magnetische Sensor 50 ist zwischen gegenüberliegenden magnetischen Polen des Magneten 24 angeordnet, und die entsprechenden magnetischen Pole 51a, 51b und 51c sind dem Stahlblech 13 gegenüberliegend angeordnet.
Der Betrieb des E-förmigen magnetischen Sensors wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 9 und die Fig. 10A bis 10C beschrieben.
Der Magnet 12 weist ein Paar Magnetisierungspole 12a und 12b auf. Der E-förmige magnetische Sensor 50 ist zwischen den magnetisierenden Magnetpolen 12a und 12b angeordnet. Wenn das Stahlblech 13 von den Magnetisierungspolen 12a und 12b magnetisiert wird, wird ein lokaler magnetischer Pol in dem Defektabschnitt 14 ausgebildet, da die magnetische Reluktanz des Defektabschnittes 14 größer als die des normalen Abschnittes des Basismaterials ist. Wegen des lokalen magnetischen Poles streut der magnetische Fluss φd auf die Außenseite des Stahlblechs 13. Wenn der Defektabschnitt 14 einen Mittenabschnitt zwischen dem linken magnetischen Pol 51a und dem mittigen magnetischen Pol 51b in dem E-förmigen Kern 51 erreicht, durchdringt der Streufluss φd aus dem Defektabschnitt 14 den linken magnetischen Pol 51a und fließt dann in den mittigen magnetischen Pol 51b, um so einen magnetischen Kreis auszubilden (Siehe Fig. 10A). In diesem Fall wird eine Spannung, welche der Intensität des Streuflusses φd entspricht, in die Suchspule 52 induziert, so dass eine Spannung V zwischen den Ausgangsenden der Spule 23 erzeugt wird. Wenn der Defektabschnitt 14 mit der Bewegung des Stahlblechs unmittelbar unter den magnetischen Pol 51b des E-förmigen Kerns 51 kommt, durchdringt der Streufluss φd aus dem Defektabschnitt 14 nicht den mittigen magnetischen Pol 51b, sondern durchdringt dann nur den linken und rechten magnetischen Pol 51a und 51c, so dass keine Spannung in die Suchspule 52 induziert wird (siehe Fig. 10B). Wenn dann der Defektabschnitt 14 eine Mittenposition zwischen dem mittigen Magnetpol 51b und dem rechten Magnetpol 51c der Bewegung des Stahlblechs erreicht, durchdringt der Streufluss φd den mittigen Magnetpol 51b und fließt dann in linken Magnetpol 51c, um einen magnetischen Kreis auszubilden. Bei dieser Gelegenheit wird eine der Intensität des Streuflusses φd entsprechende Spannung in die Suchspule 52 in derselben Weise induziert, wie vorstehend beschrieben, so dass eine Spannung V zwischen den Ausgangsenden der Spule 23 erzeugt wird (siehe Fig. 10C).
Die Fig. 11A und 11B sind Kurven, welche die Wellenform des die Suchspule 52 durchdringenden magnetischen Flusses, und die Wellenform einer induzierten Spannung darstellen. In der vorstehend erwähnten Reihenfolge der Betriebsweisen durchdringt der Fluss mit einer Form gemäß der Darstellung in Fig. 11A die Suchspule 52 und es wird eine Spannung mit einer Wellenform gemäß der Darstellung in Fig. 11B induziert. Das Vorliegen eines Defektes 14 kann durch Detektion der induzierten Spannung detektiert werden.
Bei der vorliegenden Erfindung treten bei Verwendung des vorstehend erwähnten E-förmigen magnetischen Sensors 50 der schwebende magnetische Fluss in der Nachbarschaft des Stahlblechs, die Hintergrundstörung, welche von außerhalb des E- förmigen magnetischen Sensors kommt, usw. direkt von dem magnetischen Pol 51a auf den magnetischen Pol 51c über. Demzufolge gibt es keinen Einfluss auf die Suchspule 52, so dass die Störung verringert werden kann. Ferner wird die Veränderung des magnetischen Feldes, welche durch die Schwingung des Stahlbands und die Schwingung des Sensors bewirkt wird, kompensiert durch den magnetischen Kreis, der von dem linken und mittigen magnetischen Pol 51a und 51b gebildet wird, und den magnetischen Kreis, der von dem rechten und mittigen magnetischen Pol 51c und 51b gebildet wird, so dass verhindert werden kann, dass eine Veränderung des magnetischen Feldes als eine Störung in das Signal der Suchspule 52 gemischt wird.
Demzufolge kann der Defekt mit einem guten S/N-Wert detektiert werden und das Ausgangssignal des magnetischen Sensors kommt durch den schwebenden magnetischen Fluss selbst in dem Fall nicht in die Sättigung, in dem der Höhenabstand nicht zu klein gewählt ist. Ferner kann, da die Frequenzkomponente des Defektsignals relativ hoch im Vergleich zu der Frequenzkomponente des Hintergrundgeräusches wird, das Signal leicht von der Störung getrennt werden, so dass der Effekt des Auslöschens der Verzerrungsstörung verbessert wird. Ferner bleibt durch die Konfiguration, bei welcher eine Spule auf den mittigen magnetischen Pol 51b des E-förmigen Kerns 51 gewickelt wird, eine steile glockenförmige Kennlinie als Empfindlichkeitskennlinie für die Detektion des externen magnetischen Feldes erhalten und die Empfindlichkeit für die Detektion eines schwachen magnetischen Feldes wird verbessert.
Fig. 12 ist eine Kurve, welche die Amplitudenwerte von Ausgangssignalen in dem Fall darstellt, in dem Defektabschnitte künstlich in einem Stahlblech als Riss detektiert werden. Fig. 12 stellt die Testergebnisse dar, die unter der Bedingung erhalten werden, unter welchen Bohrlöcher mit Lochdurchmessern von 0,3 mm, 0,2 mm, bzw. 0,1 mm Durchmesser als Defektabschnitte I1, I2 und I3 in einem Stahlblech 13 mit einer Blechdicke von 0,15 mm hergestellt wurden und das Stahlblech 13 einer Streufluss-Rissdetektion durch den magnetischen Sensor 50 unterworfen wird. Ein Bohrloch mit einem Lochdurchmesser von 0,1 mm kann mit einem S/N-Wert nicht kleiner als 10 detektiert werden. Im übrigen ist in Fig. 12 der Amplitudenwert des Ausgangssignals bei dem Defektabschnitt mit einem Lochdurchmesser von 0,3 mm nahezu gleich dem Amplitudenwert des Ausgangssignals bei dem Defektabschnitt mit einem Lochdurchmesser von 0,2 mm dargestellt. Dies beruht jedoch darauf, dass der Defektausgangspegel über dem Einstellungsbereich eines Aufzeichnungsgerätes liegt, so dass das Ausgangssignal gesättigt ist und die lineare Kennlinie bezüglich der Größe des Lochdurchmessers des Defektabschnittes 14 nicht eingehalten ist.
Fig. 13 ist eine Kennlinienkurve, welche die Detektionsempfindlichkeit des magnetischen Sensors abhängig von der Länge der magnetischen Pole des E-förmigen Kerns darstellt. Diese Kennlinienkurve stellt die Detektionsempfindlichkeit für den Fall dar, für welchen ein Defektabschnitt 14 eines Bohrloches mit einem Lochdurchmesser von 0,1 mm, welches in einem in Fig. 9 dargestellten Stahlblech 13 ausgeführt ist, von magnetischen Sensoren 50 unter Verwendung E-förmiger Kerne 11 mit unterschiedlichen Längen der magnetischen Pole detektiert wird. Die Länge Lc des magnetischen Pols des E- förmigen Kerns 51 wird verändert, so dass er um 0,5 mm in einem Bereich von 1,5-4 mm verlängert wird. Im übrigen beträgt der Abstand D zwischen den magnetischen Polen in dem E- förmigen Kern 51 1,0 mm, die Dicke E jedes magnetischen Poles 51a, 51b 1,0 mm und die Anzahl der Wicklungen N der Spule 50 Umwicklungen.
Gemäß Darstellung in Fig. 13, nimmt die Empfindlichkeit für die Detektion des Defektabschnittes 14, welcher von einem Bohrloch gebildet wird, ab, wenn die Länge Lc der magnetischen Pole zunimmt. Der Grund dafür besteht darin, dass die mittlere Länge des magnetischen Kreises, durch welchen der von dem Defektabschnitt 14 erzeugte Streufluss φd hindurchdringt, größer wird, da die Länge Lc der magnetischen Pole des E-förmigen Kernes 51 größer wird, so dass die Reluktanz des magnetischen Kreises zunimmt. Daher ist eine Verkürzung der Länge Lc der magnetischen Pole soweit wie möglich vorteilhaft, wobei aber auch die Länge Lc durch die Berücksichtigung der Technik der Spulenmontage bestimmt ist, da die zulässige Anzahl von Wicklungen N der Spule abnimmt, wenn die Länge Lc der magnetischen Pole abnimmt. Ferner ist in dem Fall, in dem das Stahlblech 13 durch ein Stangenmaterial oder ein Rohr als Gegenstandsmaterial ersetzt wird, die Länge Lc des magnetischen Pols des E-förmigen Kerns 51 entsprechend der externen Form des Werkstückmaterials bestimmt, um den Defektabschnitt 14 zu detektieren.
Fig. 14 ist eine Kennlinienkurve, welche die Detektionsempfindlichkeit des magnetischen Sensors abhängig von dem anfänglichen magnetischen Permeabilitätswert des E-förmigen Kerns darstellt. Diese Kurve zeigt die Detektionsempfindlichkeit des magnetischen Sensors in dem Fall, in dem ferromagnetische Substanzen mit unterschiedlicher anfänglicher magnetischer Permeabilität ui als E-förmiger Kern 51 verwendet werden. Die Werte der anfänglichen magnetischen Permeabilität ui der ferromagnetischen Substanzen liegen von etwa 1800 bis etwa 5500. Im übrigen beträgt die Länge Lc jedes magnetischen Pols 51a, 51b und 51c in dem E-förmigen Kern 51 3,0 mm, der Abstand D zwischen den magnetischen Polen 1,0 mm, die Dicke E jedes magnetischen Pols 1,0 mm, und die Anzahl der Wicklungen N der Spule beträgt 100 Umwicklungen.
Gemäß Darstellung in Fig. 14 wird die Empfindlichkeit für die Detektion des künstlichen Defektabschnittes (mit einem Lochdurchmesser von 0,1 mm) verbessert, wenn der Wert der anfänglichen magnetischen Permeabilität ui des E-förmigen Kernes 51 zunimmt. Dies beruht darauf, dass die magnetische Reluktanz des E-förmigen Kerns 51 abnimmt, wenn die anfängliche magnetische Permeabilität ui , zunimmt. Insbesondere wird gemäß Darstellung in Fig. 10A bis Fig. 10C ein magnetischer Kreis ausgebildet, in welchem der von dem Defektabschnitt 14 erzeugte magnetische Fluss φd den E-förmigen Kern 51 durch eine Luftschicht auf dem Stahlblech 13 hindurch durchdringt und dann zu dem Stahlblech 13 zurückkehrt. Die magnetische Reluktanz Rφ des E-förmigen Kerns 51 in diesem magnetischen Kreis ist durch den Ausdruck (2) bestimmt:
wobei Lav die mittlere magnetische Pfadlänge des E-förmigen Kerns 51, ui die anfängliche magnetische Permeabilität des E- förmigen Kerns 51, und S die Querschnittsfläche des E- förmigen Kerns 51 ist.
Demzufolge kann, da die magnetische Reluktanz Rφ des E-förmigen Kerns 51 abnimmt, so dass sie umgekehrt proportional zu dem Wert der anfänglichen magnetischen Permeabilität ui des E-förmigen Kerns 51 ist, der in dem Defektabschnitt 14 erzeugte Streufluss φd effizient detektiert werden, wenn ein Element mit einer großen anfänglichen magnetischen Permeabilität ui verwendet wird.
Fig. 15 ist eine Kennlinienkurve, welche die Detektionsempfindlichkeit des magnetischen Sensors abhängig von dem Abstand der magnetische Pole des E-förmigen Kerns 51 darstellt. Diese Kurve stellt die Detektionsempfindlichkeit in dem Fall dar, in dem ein künstlicher Defektabschnitt 14 als Riss detektiert wird, während die Querschnittsfläche (Dicke E) jedes magnetischen Pols 51a, 51b und 51c in dem E-förmigen Kern 1 verändert wird.
Wie aus dem vorstehenden Ausdruck (2) offensichtlich ist, wird eine Kurve erhalten, bei welcher die Empfindlichkeit für die Detektion des künstlichen Defektabschnittes 14 im wesentlichen proportional zu der Dicke E der magnetischen Pole ist, da die magnetische Reluktanz Rφ in dem E-förmigen Kern 51 abnimmt. Im übrigen nimmt der Abstand tin der Bewegungsrichtung des Stahlblechs 13) dort, wo der von dem künstlichen Defektabschnitt 14 erzeugte magnetische Fluss φd den E-förmigen Kern 51 durchdringt, zu, da die magnetische Poldicke E zunimmt.
In diesem Fall wird ein Signal, das durch die Detektion eines Streuflusses aus dem künstlichen Defektabschnitt 14 erhalten wird, ebenfalls in der Länge (Breite) proportional zu der Dicke E des magnetischen Pols des E-förmigen Kerns 51 und die Frequenz des Defektsignals wird deshalb niedrig, wenn die Rissdetektion durchgeführt wird, während die Bewegungsgeschwindigkeit des Stahlblechs 13 konstant gehalten wird. Durch eine Vergrößerung der Dicke E des magnetischen Pols des E-förmigen Kerns 51 wird die magnetische Reluktanz aus Rφ des E-förmigen Kerns 51 verringert, so dass die relative Detektionsempfindlichkeit in Bezug auf den künstlichen Defektabschnitt 14 zunimmt. Da sich jedoch die Frequenz des Defektsignals in einen niedrigeren Bereich verschiebt, kann die Störung nicht abgetrennt werden, wenn die Frequenz des Defektsignals sich der Frequenz einer Störungsspannung annähert, welche auf der Basis verschiedener Arten von Störungen (lokale Veränderung in der Blechdicke, mechanische Verwerfung usw.) erzeugt wird, welche in dem Stahlblech vorliegen. Demzufolge ist eine Vergrößerung der Poldicke E der Magnetpole des E-förmigen Kerns 51 nicht immer vorteilhaft.
Fig. 16 ist eine Außenansicht des E-förmigen magnetischen Sensors 51, angeordnet auf einer Oberseite des Stahlblechs 13. In der Zeichnung ist der E-förmige magnetische Sensor 50 symmetrisch in derselben Weise wie in der Ausführungsform von Fig. 5 ausgebildet, und die Dicken der magnetischen Pole sind untereinander gleich. Der Abstand zwischen den magnetischen Polen ist auf D eingestellt, die Dicke jedes magnetischen Pols ist auf E eingestellt und die Breite des E-förmigen Kerns 51 ist auf W eingestellt. Ferner ist der Abstand zwischen dem Stahlblech 13 und dem E-förmigen magnetischen Sensor 50, d. h. der Höhenabstand, auf L eingestellt.
Fig. 17A ist eine Kennlinienansicht, welchen den Einfluss von (D + E)/L auf ein Signal darstellt, welches durch die Detektion eines Defektes von etwa 10&supmin;³ mm³ in dem Stahlblech 13 und auf einer Hintergrundstörung erhalten wird. Die Hintergrundstörung nimmt allmählich zu, wenn (D + E)/L zunimmt. Dieses wird als eine Tendenz dahingehend betrachtet, dass Hintergrundstörungen leicht aufgenommen werden, da die Detektionsfläche des E-förmigen magnetischen Sensors 50 zunimmt, wenn (D + E)/L zunimmt. Andererseits hat das Detektionssignal die Tendenz, dass das Signal rasch zunimmt, bevor (D + E)/L den Wert 4 erreicht und dann allmählich abnimmt. Dies wird wie folgt berücksichtigt. Es wird berücksichtigt, dass dann, wenn (D + E)/L zu klein ist, die Ausgangsspannung des Detektionssignal in der Suchspule 52 abnimmt, so dass der Detektionswirkungsgrad abnimmt, da der lokale Streufluss aus dem Defektabschnitt 14 des Stahlblech 13 sowohl in den magnetischen Kreis, der durch den linken und den mittigen Magnetpol 51a und 51b gebildet wird, als auch in den magnetischen Kreis, der durch den rechten und den mittigen magnetischen Pol 51c und 51b gebildet wird, eindringt, um teilweise kompensiert zu werden. Es wird berücksichtigt, dass dann, wenn (D + E)/L im Gegensatz zu groß ist, die Veränderung des magnetischen Flusses in der Suchspule 52 für den Fall, in dem der Defektabschnitt 14 dem Stahlblech 13 unmittelbar unter dem E-förmigen magnetischen Sensor 50 hindurchläuft, abnimmt.
Fig. 17B ist eine Kennlinienkurve, welche den S/N-Wert für den Fall darstellt, bei welchem (D + E)/L verändert wird. Aus dem vorstehend erwähnten Grund gibt es, wie in Fig. 17B dargestellt, einen optimalen Bereich für die Maximierung des S/N-Wertes, wenn (D + E)/L verändert wird. In der Praxis ist es effizient, diesen in einem Bereich des S/N-Wertes von dessen maximalem Wert bis zu einem Wert zu verwenden, der um etwa 20% unterhalb des Maximalwertes liegt. Demzufolge wird die Größe des E-förmigen magnetischen Sensors bevorzugt so gewählt, dass er dem nachstehenden Ausdruck (3) genügt:
1 < (D + E)/L < 4 (3)
Fig. 18 ist eine Kennlinienkurve, welche die Veränderung der Ausgangsspannung des E-förmigen magnetischen Sensors für den Fall zeigt, bei welchem das Verhältnis E/D der Dicke E der magnetischen Pole zu dem Abstand D der magnetischen Pole verändert wird, während (D + E) konstant gehalten wird. Es ist offensichtlich, dass sich die Ausgangsspannung nur gering sogar in dem Fall ändert, bei dem E/D verändert wird. In der Praxis gibt es jedoch Probleme dahingehend, dass eine Bearbeitung schwierig wird, dass leicht eine magnetische Sättigung auftritt, usw., wenn die Dicke der magnetischen Pole zu klein ist, während es auch Probleme dahingehend gibt, dass das Wickeln der Suchspule schwierig wird usw., wenn die Dicke der magnetischen Pole zu groß ist und der Abstand der magnetischen Pole zu klein ist. Demzufolge wird das Verhältnis von E zu D im allgemeinen in einem Bereich gewählt, der eine leichte Herstellung gewährleistet.
Fig. 19A ist eine Kennlinienkurve, welche die Relation eines durch die Detektion eines Defektes von etwa 10&supmin;³ mm³ in dem Stahlblech 13 erhaltenen Signals und der Hintergrundstörung in Bezug auf W/L darstellt. Wenn die Breite W des E-förmigen magnetischen Sensors 51 zu klein ist, nimmt die Querschnittsfläche der Suchspule 52 ab und die Detektionsspannung nimmt ab, so dass der Detektionswirkungsgrad absinkt. Wenn die Sensorbreite W groß wird und einen bestimmten Wert erreicht, wird die Verteilung des lokalen Streuflusses aus dem Mikrodefektabschnitt 14 im wesentlichen durch den Sensor abgedeckt, so dass die Ausgangsspannung nicht mehr erhöht wird, selbst dann, wenn die Sensorbreite W vergrößert wird. Wenn die Sensorbreite W andererseits groß wird, wird der Detektionsbereich unmittelbar unter dem E-förmigen magnetischen Sensor 51 verbreitert, so dass die Hintergrundstörung zunimmt, da eine Tendenz besteht, dass Störungen leicht aufgenommen werden. Demzufolge gibt es gemäß Darstellung in Fig. 19B einen optimalen Bereich, in welchem der S/N-Wert maximiert ist, wenn W/L verändert wird. In der Praxis ist es wirksam, diesen in einen Bereich des S/N-Wertes von dessen maximalen Wert bis zu einem um 20% von den maximalen Wert reduzierten Wert zu verwenden. Demzufolge ergibt sich aus Fig. 19B der nachstehende Ausdruck:
1 < W/L < 10 (4)
Ferner besteht, wenn ein intensives schwebendes Magnetfeld aus der Magnetisierungseinrichtung zu groß wird, ein Risiko, dass der Kern (insbesondere die magnetischen Pole 51a und 51c) des E-förmigen magnetischen Sensors mit einer Form, durch welche ein magnetischer Fluss leicht hindurchdringt, magnetisch gesättigt wird. Um dieses Phänomen zu verhindern und um externe magnetische Störungen auszuschalten, wird ein magnetisches Abschirmblech 56 aus einer ferromagnetischen Substanz an der Außenseite des E-förmigen magnetischen Sensors 50 gemäß Darstellung in Fig. 20 angeordnet. Dieses magnetische Abschirmblech 56 wird beispielsweise von einem ferromagnetischen Kern gebildet.
Eine Verkleinerung des Abstandes zwischen dem magnetischen Abschirmblech 56 und dem E-förmigen Kern 51 soweit wie möglich ist bevorzugt für die Verkleinerung der Größe des E- förmigen magnetischen Sensors 50 erforderlich. Wenn jedoch das magnetische Abschirmblech 56 und der E-förmige Kern 51 zu nahe aneinander kommen fließt das von dem Abschirmblech 56 absorbierte schwebende magnetische Feld in den E-förmigen Kern 51, und bringt somit einen schlechten Einfluss. Daher ist es wirksam, dass ein notwendiger aber kleinster magnetischer Reluktanzabschnitt zwischen dem magnetischen Abschirmblech 56 und dem E-förmigen Kern 51 ausgebildet wird. Da die relative Permeabilität der magnetischen Substanz im allgemeinen in einen Bereich von 100 bis 1000 liegt, und die relative Permeabilität von Luft 1 ist, kann ein Spalt mit einer magnetischen Reluktanz, die etwa 10-mal so groß ist wie die magnetische Reluktanz in der magnetischen Abschirmung, ausgebildet werden. Es ist daher erforderlich, dass der Spalt Gs zwischen dem magnetischen Abschirmblech 56 und dem E-förmigen Kern 51 so ausgewählt wird, dass er nicht kleiner als etwa 1/10 der Dicke S des magnetischen Abschirmblechs 56 wird. Demzufolge ist die folgende Beziehung vorzugsweise erfüllt:
S/10 < Gs (5)
Fig. 21A ist eine Kennlinienkurve, welche die Detektionsempfindlichkeit in der Breitenrichtung des E-förmigen magnetischen Sensors 50 in Bezug auf einen Defekt von etwa 10&supmin;³ mm³ darstellt. Wenn die Breite, in welcher die Breitenempfindlichkeit von 80% in Bezug auf den Maximalwert erhalten wird, zu W80 gemacht wird und die Breite, in welcher die Breitenempfindlichkeit von 40% in Bezug auf ihren Maximalwert erhalten wird, zu W40 gemacht wird, wie es in Fig. 21B dargestellt ist, wird eine Kennlinie, wie in Fig. 21B dargestellt bezogen auf das Verhältnis W/L der Sensorbreite W zu dem Höhenabstand L erhalten.
Die Fig. 22A und 22B sind erläuternde Darstellungen, welche Beispiele der Anordnungen von E-förmigen Sensoren 50 zeigen. Wenn E-förmige magnetische Sensoren 50 in einer Linie angeordnet sind, so dass die Ausgangssignale benachbarter E- förmiger magnetischer Sensoren aufaddiert werden, um eine Rissdetektion in der Breitenrichtung des Stahlbandes gemäß der Darstellung in Fig. 22A abzudecken, kompensieren sich die Sensoren 50 gegenseitig, so dass eine gleichförmige Empfindlichkeitsverteilung in einem vorbestimmten Bereich in der Breitenrichtung des Stahlbands erhalten wird. Wenn das Abfallen der Empfindlichkeitsverteilung in der Breitenrichtung des Stahlblechs 13 von bis zu 20% zugelassen wird, so dass die Anzahl E-förmiger magnetischer Sensoren 50 unter dem Gesichtspunkt der praktischen Nutzung so weit wie möglich reduziert wird, kann die Empfindlichkeit eines E-förmigen magnetischen Sensors auf 40% reduziert sein. Demzufolge wird aus der Kennlinie von Fig. 21B das Raster P1 zwischen den E- förmigen magnetischen Sensoren bevorzugt so gewählt, dass es dem nachstehenden Ausdruck genügt:
P1 < 1,6 W (6)
Wenn die Ausgangssignale benachbarter E-förmiger magnetischer Sensoren 50 aufaddiert werden, wird der von den magnetischen Sensoren 50 abgedeckte Bereich verbreitert, aber der S/N-Wert verschlechtert, da die Störungskomponenten aufaddiert werden, so dass die Amplitude der Störung auf das 21/2-fache vergrößert wird. Wenn es erforderlich ist, die Verringerung des S/N-Wertes zu vermeiden, kann ein Betrieb durchgeführt werden, in welchem die Ausgangssignale von 2 E-förmigen magnetischen Sensoren miteinander sequentiell verglichen werden und ein größeres von den Ausgangssignalen verwendet wird, d. h. dass eine ODER-Operation ausgeführt werden kann. In diesem Fall wird jedoch, da das Signal nicht aufaddiert wird, der Abfall der Empfindlichkeit zwischen den E-förmigen magnetischen Sensoren 50 nicht verbessert. Daher ist es erforderlich, den Abstand zwischen den E-förmigen magnetischen Sensoren 50 zu verkleinern um den Bereich zu verengen, in welchem die Empfindlichkeit verringert ist. In diesem Fall ist es, um einen Abfall der Empfindlichkeit auf innerhalb 20% des Maximums zu unterdrücken aus der Kennlinie von Fig. 21B erforderlich, dass das Raster zwischen den E-förmigen magnetischen Sensoren 50 so gewählt wird, dass es 0,9 W/L ist. Um diesen Zustand zu erreichen, werden die E-förmigen magnetischen Sensoren 50 bevorzugt in Zick-Zack-Form angeordnet, so dass sie einander in der Breitenrichtung überlappen, wie es in Fig. 22B dargestellt ist. Demzufolge wird das Raster P2 zwischen den E-förmigen magnetischen Sensoren 50 bevorzugt wie folgt gewählt:
P2 < 0,9 W (7)
D. h., in dem Fall, in dem eine leichte Absenkung des S/N- Wertes zulässig ist, werden die E-förmigen magnetischen Sensoren 50 bevorzugt in einer Linie als eine Anordnung (Fig. 22A) angeordnet, so dass die Ausgangssignale benachbarter Sensoren aufaddiert werden. Andererseits ist es, um eine Detektion ohne Absenkung des S/N-wertes so weit wie möglich durchzuführen, zu bevorzugen, die E-förmigen magnetischen Sensoren 50 in Zick-Zack-Form anzuordnen (Fig. 22B) und eine ODER-Operation an den Ausgangssignalen der Sensoren vorzunehmen, welche sich in der Breitenrichtung überlappen.
Fig. 23 ist ein Blockschaltbild, welches die Konfiguration eines Teils einer magnetischen Rissdetektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 57 eine Magnetisierungseinrichtung; 58 eine nicht-magnetische Walze; 59 einen Verstärker; 60 ein Filter; 61 einen Gleichrichter; und 62 eine Entscheidungsschaltung. Die einen Elektromagneten aufweisende Magnetisierungseinrichtung 57 ist in der nicht- magnetischen Walze 58 angeordnet, so dass das Stahlblech (dünnes Stahlband 13), welches über die nicht-magnetische Walze 58 rollt, in seiner Laufrichtung durch die nicht- magnetische Walze 58 hindurch magnetisiert wird. Der vorstehend erwähnte E-förmige magnetische Sensor 50 ist über der nicht-magnetischen Walze 58 angeordnet. Wenn das Stahlblech 13 läuft und ein Mikroeinschluss im Inneren des Stahlblechs 13 vorhanden ist, wird davon ein lokal schwacher Streufluss erzeugt. Wenn dieser Streufluss gerade unmittelbar unter dem E-förmigen magnetischen Sensor 50 durchdringt, wird ein dem Streufluss entsprechendes elektrisches Signal von dem E- förmigen magnetischen Sensor 50 wie vorstehend beschrieben ausgegeben. Das Ausgangssignal aus dem E-förmigen magnetischen Sensor 50 wird elektrisch von dem Verstärker 59 verstärkt und Störungen durch das Filter 60 unterdrückt, um den S/N-Wert zu verbessern. Nach der Gleichrichtung des elektrischen Signals durch den Gleichrichter 61, wird ein Defekt durch die Entscheidungsschaltung 62 festgestellt und das Ergebnis der Entscheidung ausgegeben.
Bei dieser Ausführungsform sind der Höhenabstand L zwischen dem Stahlblech 13 und dem E-förmigen magnetischen Sensor 50 und der magnetische Polabstand D, die magnetische Poldicke E und die Sensorbreite W in dem E-förmigen magnetischen Sensor so gewählt, dass L = 0,5 mm, D = 0,5 mm, E = 0,4 mm und W = 3,5 mm sind. Ferner ist ein magnetisches Abschirmblech 56 aus Permalloy mit einer Dicke S = 2 mm so an der Außenseite des E- förmigen magnetischen Sensors 50 vorgesehen, dass ein Spalt Gs = 0,5 mm zwischen dem magnetischen Abschirmblech 56 und dem Sensor ausgebildet wird. Als ein Sensorkopf sind 220 E- förmige magnetische Sensoren 50 in einer Linie in der Breitenrichtung des Werkstückblechs ausgebildet, um eine Rissdetektion über die gesamte Breite 1100 mm des Stahlblechs durchzuführen und das Raster P1 zwischen benachbarten E- förmigen magnetischen Sensoren 50 ist mit 5 mm so gewählt, dass die Ausgangssignale benachbarter E-förmiger magnetischer Sensoren aufaddiert werden, so dass sie zur Detektion verwendet werden können. D. h. der Abstand zwischen den E-förmigen magnetischen Sensoren 50 beträgt 3,5 mm.
Die Addition der Ausgangssignale der E-förmigen magnetischen Sensoren 50 wird nach dem Verstärker 59 durchgeführt. Die Addition kann nach dem Filter 60 aber bevorzugt vor dem Gleichrichter 61 durchgeführt werden. Dies beruht darauf, dass die Signalkomponenten einfach aufaddiert werden können, unabhängig davon, ob die Addition nach oder vor dem Gleichrichter 61 stattfindet, aber die Störungskomponenten addieren sich auf das bis zu 21/2-fache, wenn die Addition vor dem Gleichrichter erfolgt, und die Störungskomponenten addieren sich auf das bis zu 2-fache, wenn die Addition nach dem Gleichrichter 61 erfolgt, und demzufolge der S/N-Wert in dem letzteren Fall niedriger wird. Rostfreier Stahl wird als Material für die nicht-magnetische Walze 58 verwendet und die Magnetisierungskraft des Magnetisierungseinrichtung 57 in der nicht- magnetischen Walze 58 wird auf 3000 AT gewählt. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Stahlblechs (dünnes Stahlband) beträgt 300 m/Min. Ferner wird als das Filter 60 ein Hochpassfilter mit einer Eckfrequenz von 3 kHz verwendet.
Fig. 24 ist eine erläuternde Darstellung, welche Details der Magnetisierungseinrichtung 57 darstellt. Gemäß der Darstellung in der Zeichnung weist diese Magnetisierungseinrichtung ein Paar Magnetisierungsmagnetpole 63a und 63b und eine Spule 64 auf. Die Magnetisierungseinrichtung 57 ist an einem Wellenlager 65 befestigt. In diesem Wellenlager 65 ist die nicht-magnetische Walze 58 drehbar gelagert. Durch Zuführen eines Gleichstroms zu der Spule 64 wird ein magnetischer Fluss aus den magnetisierenden magnetischen Polen 63a und 63b erzeugt, so dass das Stahlblech 13, welches sich während der Aufwicklung auf der nicht-magnetischen Walze 58 bewegt, in der Rollrichtung durch den magnetischen Fluss magnetisiert wird.
Fig. 25 ist eine Kurve, welche Wellenformen (Ausgangssignalwellenformen aus dem Gleichrichter 11) von künstlichen Defekten darstellt, die von der Rissdetektionsvorrichtung gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform detektiert werden. Diese Kurve stellt Ausgangswellenformen in dem Fall dar, bei dem künstliche Defekte, die durch Herstellen von Bohrlöchern mit Bohrdurchmessern von 0,5, 0,1 bzw. 0,2 mm erzeugt wurden, in einem dünnen Stahlblech mittels Rissdetektion detektiert werden. Aus Fig. 25 ist ersichtlich, dass ein Mikrodefekt mit einem hohen S/N-Wert detektiert werden kann.
Fig. 26 ist eine Kurve, welche eine Wellenform für den Fall darstellt, bei dem ein natürlicher Defekt detektiert wird. Nach der Rissdetektion wird der Defektabschnitt ausgeschnitten und dessen Größe mit einem Mikroskop überprüft, während der Fehlerabschnitt poliert wird. Als Ergebnis ergibt sich hier ein Einschluss mit einer Größe von etwa 5 · 10&supmin;&sup4; mm³.
Die optimale Eckfrequenz des Filters 60 ist 3 kHz. Dieser Wert ist etwa 2-3 mal so groß wie der optimale Wert für den Fall der Verwendung eines herkömmlichen magnetischen Sensors. Demzufolge kann eine Hintergrundstörung, welche eine große Menge an niederfrequenten Komponenten enthält, leicht von dem Detektionssignal getrennt werden, so dass der S/N-Wert stark erhöht wird.
Wenn das magnetische Abschirmblech 56, das an der Außenseite des E-förmigen Kerns 51 angeordnet ist, entfernt wird, wird der E-förmige magnetische Sensor 50 magnetisch gesättigt, so dass die Empfindlichkeit des Sensors verringert wird. Daher wird der E-förmige magnetische Sensor 50 mit einer auf 2000 AT reduzierten Magnetisierungskraft verwendet, so dass der E- förmige magnetische Sensor 50 nicht gesättigt wird, aber ein künstlicher Defekt, der durch ein Bohrloch mit einem Lochdurchmesser von 0,05 mm erzeugt wird, in diesem Fall nicht detektiert werden kann.
Fig. 27A ist eine Kennlinienkurve, welche die Verteilung der Empfindlichkeit in der Breitenrichtung des Stahlblechs in der magnetischen Rissdetektionsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform darstellt. Die horizontale Achse zeigt den Abstand Y (mm) in der Breitenrichtung und die vertikale Achse zeigt den relativen Wert der Empfindlichkeit. Da das Raster der Anordnung der E-förmigen magnetischen Sensoren 50 5 mm ist, ist die Empfindlichkeit in Intervallen von 5 mm maximiert und in der Mitte zwischen den E-förmigen magnetischen Sensoren minimiert, wobei aber das Absinken der Empfindlichkeit auf innerhalb 20% eingeschränkt ist.
Ferner werden als Ersatz für die vorstehend erwähnten Sensorköpfe zwei Sensoranordnungen, welche jeweils durch Anordnung von 183 E-förmigen magnetischen Sensoren mit einem Magnetpolabstand D = 0,5 mm, einer magnetischen Poldicke D = 0,4 mm, einer Sensorbreite W = 3,5 mm und einem Sensorabstand von 2,5 mm ausgebildet sind, in einer Linie in Zick-Zack-Form angeordnet und diese Sensorgruppe als Ganzes magnetisch abgeschirmt. In diesem Fall beträgt die Breite der Überlappung der Sensoren 0,5 mm. Ferner wird für den Fall einer Zick-Zack-Anordnung der Sensoren ein durch eine ODER-Operation der Ausgangssignale der überlappenden Sensoren erhaltenes Signal verwendet. In diesem Fall ist die Empfindlichkeitsverteilung in der Breitenrichtung des Stahlbands wie in Fig. 27B dargestellt und der Abfall der Empfindlichkeit bezogen auf die maximale Empfindlichkeit auf einen Wert von 20% beschränkt.
Obwohl diese Ausführungsform den Fall zeigt, bei welchem die Querschnittsform jedes der Magnetpole in dem E-förmigen magnetischen Sensor 50 rechteckig ist, ist der Effekt derselbe wie in dem Fall, bei welchem die Querschnittsform durch Abfasung abgerundet ist.
Die Trennung der Hintergrundstörung und des Defektdetektionssignals wird nachstehend diskutiert.
Fig. 28 ist eine Kennlinienkurve, welche die Intensität der Frequenzkomponente des Defektsignals und die Intensität der Frequenzkomponente der Hintergrundstörung in dem Detektionssignal in dem Fall darstellt, bei dem der E-förmige magnetische Sensor verwendet wird. Die Hintergrundstörung enthält einen großen Anteil niederfrequenter Komponenten, während das Defektsignal eine Spitze bei einer spezifischen Frequenz aufweist. Demzufolge ist es ersichtlich, dass der S/N-Wert verbessert werden kann, wenn die niederfrequenten Komponenten durch das Hochpassfilter 60 entfernt werden.
Fig. 29 ist eine Kennlinienkurve, welche ein Beispiel der Veränderung des S/N-Wertes in dem Fall darstellt, bei dem die Eckfrequenz des Hochpassfilters 60 verändert wird. Gemäß der Kennlinie gibt es eine optimale Eckfrequenz, bei welcher der S/N-Wert maximiert wird, und, wenn die Eckfrequenz um ±20% von dieser optimalen Eckfrequenz abweicht, wird der S/N-Wert um 20% reduziert. Demzufolge können, wenn eine Reduzierung des S/N-Wertes bis zu 20% in Bezug auf den maximalen Wert von S/N zugelassen wird, Frequenzen in dem Bereich von bis zu ±20% von der optimalen Eckfrequenz verwendet werden.
Fig. 30 ist eine Kennlinienkurve, welche die optimale Eckfrequenz F (Hz) des Hochpassfilters 60 darstellt, in welchem der S/N-Wert maximiert ist, wenn der Höhenabstand L (mm) verändert wird und die magnetische Polgröße des E-förmigen magnetischen Sensors 50 konstant gehalten wird. Wenn die Laufgeschwindigkeit V des Stahlblechs 13 und das Raster P zwischen den Mittelpunkten der magnetischen Pole in dem E-förmigen magnetischen Sensor 50 auf den Wert V = 5000 mm/s und P = 1 mm eingestellt werden, wird F = 3188 - 657L erhalten.
Fig. 31 ist eine Kennlinienkurve, welche die optimale Eckfrequenz F (Hz) des Hochpassfilters 60 darstellt, in welchem der S/N-Wert maximiert ist, wenn das Raster P (mm) zwischen den Mittelpunkten der magnetischen Pole in dem E-förmigen Sensor verändert wird und die Höhenabstand L konstant gehalten wird. Wenn der Höhenabstand L und die Laufgeschwindigkeit V des Stahlblechs 13 auf L = 0,5 mm und V = 5000 mm/s eingestellt sind, wird ein F = (850 + 2000/P) erhalten. Man geht davon aus, dass die optimale Eckfrequenz F (Hz) des Hochpassfilters zur Maximierung des S/N-Wertes proportional zu der Bewegungsgeschwindigkeit V des Stahlblechs ist.
Aus diesen Ergebnissen ist die optimale Eckfrequenz gegeben wie folgt:
F = V (3188 - 675 L) · (850 + 2000/P)/(1,4 · 107) (8)
Man geht ferner davon aus, dass die zulässigen Werte bezüglich des optimalen Wertes der Eckfrequenz F innerhalb eines Bereichs von ±20% wie vorstehend beschrieben liegen.
Fig. 32 ist ein Blockschaltbild, welches die Konfiguration der magnetischen Rissdetektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform darstellt, in welcher die vorstehend erwähnte Eckfrequenz F entsprechend dem Rissdetektionszustand verändert werden kann. Diese magnetische Rissdetektionsvorrichtung wird konfiguriert, indem der Rissdetektionsvorrichtung von Fig. 23 eine automatische Eckfrequenz-Einstelleinrichtung 70 zugefügt wird.
Die automatische Eckfrequenz-Einstelleinrichtung 70 liest das Raster P zwischen den Mittelpunkten der magnetischen Pole der E-förmigen magnetischen Sensoren 50, den Höhenabstand L und die Bewegungsgeschwindigkeit V des Stahlblechs 13 ein, führt Berechnungen gegeben durch den vorstehenden erwähnten Ausdruck (8) aus, um die Eckfrequenz zu berechnen und stellt die so erhaltene Eckfrequenz an dem Hochpassfilter 60 ein. Die durch den Ausdruck (8) gegebene Berechnung kann leicht ausgeführt werden, wenn ein Mikrocomputer als automatische Eckfrequenz-Einstelleinrichtung 70 verwendet wird. In dem Fall, bei dem das Raster P zwischen den Mittelpunkten der magnetischen Pole in dem E-förmigen magnetischen Sensor 50 als ein fester Wert betrachtet wird, oder in Fall, bei dem der Höhenabstand L als ein fester Wert zusätzlich zu dem Raster P betrachtet wird, können die festen Werte in der automatischen Eckfrequenz-Einstelleinrichtung 70 im voraus so eingestellt werden, dass diese Werte nicht von außen eingegeben werden.
Im übrigen wird auch in diesem Fall der E-förmige Sensor 50 in einem magnetischen Abschirmblech 56 aus einer ferromagnetischen Substanz so eingeschlossen, dass er magnetisch abgeschirmt ist, um den Einfluss des schwebenden magnetischen Feldes zu reduzieren.
In der gemäß Darstellung in Fig. 32 konfigurierten magnetischen Rissdetektionsvorrichtung sind der Höhenabstand L zwischen dem Stahlblech 13 und dem E-förmigen magnetischen Sensor 50 und der Abstand D der magnetischen Pole, die Dicke der magnetischen Pole E und die Sensorbreite W des E-förmigen magnetischen Sensors 50 so gewählt, dass L = 0,5 mm, D = 0,5 mm, E = 0,4 mm und W = 3,5 mm ist. Ferner ist ein magnetisches Abschirmblech 56 aus Permalloy mit einer Dicke S = 2 mm an der Außenseite des E-förmigen magnetischen Sensors 50 angeordnet, so dass ein Spalt Gs = 0,5 mm zwischen diesem und dem magnetischen Abschirmblech 56 und dem E-förmigen magnetischen Sensor 50 ausgebildet wird. Rostfreier Stahl wird als Material für die nicht-magnetische Walze 58 verwendet, und die Magnetisierungskraft der Magnetisierungseinrichtung 57 in der nicht-magnetischen Walze 58 wird zu 3000 AT gewählt. Die Laufgeschwindigkeit V des zu untersuchenden Stahlbands (dünnes Stahlband) wird zu V = 5000 mm/s gewählt.
Ferner werden L, V und P in die automatische Eckfrequenz- Einstelleinrichtung 70 eingegeben, eine arithmetische Operation gemäß dem Ausdruck (8) durchgeführt und das Ergebnis der arithmetischen Operation in dem Hochpassfilter 60 so eingestellt, dass die Eckfrequenz des Hochpassfilters auf einen optimalen Wert automatisch selbst in dem Fall eingestellt wird, bei dem sich die Betriebsbedingung verändert hat. Im übrigen ist unter den vorstehenden Bedingungen die Eckfrequenz F des Hochpassfilters F = 3000 Hz.
Fig. 33 ist ein Schaltbild für ein Integrationsverstärker, der für den in Fig. 23 und 32 dargestellten Verstärker 59 verwendet wird. Dieser Integrationsverstärker 71 wird von einem Integrationswiderstand R&sub1;, einem Kondensator C&sub2; und einem Verstärker 72 gebildet. Wenn das von der Suchspule 52 des E- förmigen magnetischen Sensors 50 detektierte Defektsignal verstärkt wird, wird eine an der Suchspule 53 abgreifbare Ausgangsspannung e&sub0; wie folgt erhalten:
e&sub0; = dΦd/dt (V) (9)
D. h., die Ausgangsspannung e&sub0; wird ein umgekehrt proportionales Ausgangssignal zu dem Absolutwert des magnetischen Flusses φd, der von dem Defekt und der Zeit erzeugt wird, die erforderlich ist, um den Defekt 14 unmittelbar unter der Suchspule 52 passieren zu lassen. Demzufolge wird durch die Verwendung des Integrationsverstärkers 71 als Verstärker, welcher das Ausgangssignal der Suchspule 52 verstärkt, die Ausgangsspannung desselben Defektes, welcher proportional zu der Bewegungsgeschwindigkeit des Stahlblechs 13 ansteigt, automatisch kompensiert, so dass eine konstante Defektausgangsspannung des Verstärkers unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit des Stahlblechs konstant gehalten wird.
Fig. 34 ist eine Kennlinienkurve, welche die Detektionsempfindlichkeitskennlinie abhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit des ferromagnetischen Metallblechs für den Fall darstellt, bei welchem ein Bohrloch mit einem Lochdurchmesser von 0,1 mm unter Verwendung des Verstärkers 72 von Fig. 33 mittels Rissdetektion detektiert wird. Wie in der Zeichnung dargestellt, wird die Differenz in der Empfindlichkeit für die Detektion des Loches innerhalb eines Bereichs von ±5% sogar für den Fall unterdrückt, für den sich die Bewegungsgeschwindigkeit des Stahlblechs 13 in einem Bereich von 10- 1000 m/Min verändert.

Claims

1. Magnetische Rissdetektionsvorrichtung, die aufweist:

eine Magnetisierungseinrichtung zum Magnetisieren eines sich bewegenden zu untersuchenden Gegenstandes;

einen E-förmigen magnetischen Sensor mit einem E-förmigen Kern aus einer ferromagnetischen Substanz, der drei in der Nachbarschaft des Gegenstandes angeordnete hervorstehende Abschnitte, welche magnetische Pole ausbilden, aufweist, und einer Suchspule, die auf einen mittig hervorstehenden Abschnitt des E-förmigen Kerns gewickelt ist, um einen magnetischen Fluss aufgrund eines Defektabschnittes des magnetisierten Gegenstandes zu detektieren;

eine Abschirmplatte aus einer ferromagnetischen Substanz zum magnetischen Abschirmen des magnetischen Sensors, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aufweist:

eine Eckfrequenz-Einstelleinrichtung zum Einstellen einer Eckfrequenz F auf der Basis des Abstandes zwischen den Mittelpunkten jedes hervorstehenden Abschnittes, eines Höhenabstands L, welcher der Abstand zwischen dem Gegenstand und dem E-förmigen Kern ist, und der Bewegungsgeschwindigkeit des Gegenstands V, und

ein Hochpassfilter zum Verarbeiten des Ausgangssignals des E- förmigen magnetischen Sensors mit einer Eckfrequenz, die durch die Eckfrequenz-Einstelleinrichtung bestimmt ist.

2. Magnetische Rissdetektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der E-förmige magnetische Sensor der folgenden Beziehung genügt:

1 < (D + E)/L < 4

wobei L der Höhenabstand, welcher der Abstand zwischen dem Gegenstand und dem E-förmigen Kern ist, D der Raumabstand zwischen jedem hervorstehenden Abschnitt und E eine Dicke jedes hervorstehenden Abschnittes ist.

3. Magnetische Rissdetektionsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der E-förmige magnetische Sensor der folgenden Beziehung genügt:

1 < w/L,

wobei W eine Breite jedes hervorstehenden Abschnittes ist.

4. Magnetische Rissdetektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der E-förmige Kern und die magnetische Abschirmplatte so angeordnet sind, daß ein Spalt Gs zwischen dem E- förmigen Kern und dem magnetischen Abschirmblech der folgenden Beziehung genügt:

S/10 < Gs

wobei S die Dicke der Abschirmplatte ist.

5. Magnetische Rissdetektionsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 4, wobei die E-förmigen magnetischen Sensoren in einer Linie in der Breitenrichtung des Gegenstandes in Intervallen eines Rasters P1 ausgerichtet sind, welches der folgenden Beziehung genügt:

P1 < 1,6 W

wobei W eine Breite jedes hervorstehenden Abschnittes ist, und wobei Ausgangssignale der nebeneinanderliegenden E- förmigen Sensoren aufaddiert werden, so daß sie für eine Fehlerdetektion verwendet werden.

6. Magnetische Rissdetektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 4, wobei die E-förmigen magnetischen Sensoren in Zick- Zack-Form in der Breitenrichtung des Gegenstands in Intervallen eines Raster P2 angeordnet sind, welches der folgenden Beziehung genügt:

P2 < 0,9 W

wobei W eine Breite jedes hervorstehenden Abschnittes ist, und wobei das größere der Ausgangssignale der sich in der Breitenrichtung überlappenden E-förmigen magnetischen Sensoren für die Fehlerdetektion verwendet wird.

7. Magnetische Rissdetektionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Gegenstand ein dünnes Stahlband ist und der defekte Abschnitt des Gegenstandes ein in dem dünnen Stahlband vorhandener Mikroeinschluss ist.

8. Magnetische Rissdetektionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Eckfrequenz F auf einen Bereich von ±20% bezogen auf eine Frequenz F (Hz) eingestellt wird, welche der folgenden Beziehung genügt:

F = V · (3188 - 675L) x (850 + 2000/P)/(1,4 · 10&sup7;)

wobei P (mm) der Abstand zwischen dem Mittelpunkten der magnetischen Pole des E-förmigen magnetischen Sensors, L (mm) der Höhenabstand und V (mm/s) die Bewegungsgeschwindigkeit des Gegenstandes ist.