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WO1994018575A1 - Horizontal eddy current sensor - Google Patents

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Publication number
WO1994018575A1
WO1994018575A1 PCT/DE1994/000111 DE9400111W WO9418575A1 WO 1994018575 A1 WO1994018575 A1 WO 1994018575A1 DE 9400111 W DE9400111 W DE 9400111W WO 9418575 A1 WO9418575 A1 WO 9418575A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
eddy current
sensor
coil
sensor according
current sensor
Prior art date
Application number
PCT/DE1994/000111
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Robert Russ
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO1994018575A1 publication Critical patent/WO1994018575A1/en

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/028Electrodynamic magnetometers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
    • G01N27/90Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
    • G01N27/9006Details, e.g. in the structure or functioning of sensors

Definitions

  • the invention relates to a horizontal eddy current sensor according to the preamble of claim 1.
  • Eddy current sensors are known which are used in non-destructive testing for the detection of features on test objects and in contactless proximity switches. Such sensors are available in different versions. With regard to the design, a distinction is generally made between the outer pass, inner pass and push-button sensors, whereby three basic types have developed for the push-button sensor in practice: coil (s) without core, coil (s) with pin core and coil (s ) with pot core. In all three types, the coil (s) is / are arranged above the test object in such a way that their axis (s) point (s) in the direction of the surface normal of the test surface. The design with a pot core has also established itself in the case of the proximity switches which operate without contact.
  • Devices with eddy current sensors for the detection of features generally have means for causing a relative movement between the test object and the sensor. That is, the surface of the test object (test area) is scanned sequentially. Doing so In practice, difficulties arise which are reflected in the signals of the sensor as interference signals and make the detection of features more difficult or even prevent them entirely. These difficulties include:
  • sensors with pin cores have a better spatial resolution than sensors with pot cores (see b)), they are difficult to bundle the alternating magnetic field due to their design: the alternating magnetic field emerges at both ends of the pin core and closes over the surrounding free space.
  • the proportion of the air gap in the total length of the magnetic circuit is very high. How important is, however, a clotting ⁇ ger air gap shown by the fact that thezhou ⁇ part of the field strength is consumed in it. If the distance ⁇ between the sensor and the test object increases, the shear line of the magnetic circuit rotates clockwise. Ie, an ever larger proportion of the field strength is consumed in the gap, the magnetic flux ⁇ is always
  • sensors with pin cores in a differential arrangement offer the best technical compromise with a high spatial resolution.
  • a disadvantage of these sensors is - besides those already mentioned - the expensive and complex manufacture. It is still difficult to precisely reproduce the properties of a sensor once it has been built.
  • the object of the invention is to create an eddy current sensor which is insensitive to changes in distance, has a high spatial resolution, introduces the magnetic field into the test object in a targeted manner and without great losses, is inexpensive to manufacture and is available in larger quantities reproducible properties can be produced.
  • 3 shows a second possible integration of the sensor according to the invention into the metrological electrical circuit
  • 4 shows some possible variants for the configuration of the ferrite core legs in the Y direction
  • FIG. 5 shows some possible variants for the configuration of the ferrite core legs in the X direction
  • FIG. 6 shows an example of a sensor according to the invention over a tube with a longitudinal seam
  • FIG. 7 shows a comparison of the behavior in the event of changes in the distance between the sensor according to the invention and a conventional sensor in a differential arrangement
  • FIG. 8 shows a sensor according to the invention which is supplemented by a further coil for premagnetization.
  • FIG. 1 shows the basic shape of the sensor according to the invention with its individual parts.
  • the windings of the exciter coil (1) and the measuring coil (2) are penetrated in their axial direction by a ferrite core (3), the two ends of which are designed as legs (4) and (5) which point towards the surface of the test object are angled and taper at the ends.
  • the sensor is arranged above the test surface (7) of the test object (6) in such a way that the axis of the coils (1) and (2) comes to lie perpendicular to the surface normal (8) of the test surface (7) and that Legs (4) and (5) over two air gaps (10) and (il) have a short distance from the test surface (7).
  • the magnetic circuit (9) closes via the ferrite core (3), the test bench (6) and the two air gaps (10) and (11).
  • Fig. 2 shows an example of a first possible Einbin- d ü ng of the sensor according to the invention in which metrological electrical circuit.
  • the electrical voltage (21) supplies the excitation coils (23) and (26) of two erfindungsge äßer sensors (22) and (25) with one of the task being ⁇ fitted frequency and amplitude, wherein the first of the two sensors (22) close to the test object is arranged and used for measurement, the other sensor (25) is arranged far from the test object and is used for compensation.
  • REPLACEMENT LEAF Compensation coil (27) is fed to an evaluation circuit.
  • the excitation coils (23) and (26) are galvanically separated from the measuring coil (24) and the compensation coil (27) (transformer principle).
  • DIN 54 140, part 3 it is an eddy current sensor of type AK-T-TS
  • FIG. 3 shows, by way of example, a second possible integration of the sensor according to the invention into the metrological electrical circuit.
  • the electrical voltage (31) with a frequency and amplitude adapted to the task feeds an inductive coil system in a bridge circuit (35) in which the excitation coil (33) of a sensor (32) according to the invention forms part of the measuring bridge.
  • the measuring coil (34) of the sensor is not used in this circuit and can be omitted.
  • the output signal of the measuring bridge (36) is fed to an evaluation circuit (Wheatstone bridge principle).
  • the legs can be flattened (41), pointed (42), rounded (43) on their undersides or also adapted (44) to the geometry of the test object.
  • two sensors according to the invention can be arranged such that they are both next to one another ((45) and (46)), one behind the other or also offset near the test object in a plane parallel to the test surface.
  • the legs can be straight (51), chamfered on the inside (52), chamfered on the outside (53) or also adapted (54) to the geometry of the test object (55).
  • Adaptation to the geometry of the test object ((44) and (54)) or the chamfer ((52) and (53)) allow good bundling of the alternating magnetic field and targeted introduction of this field into the test object at the points of interest. If the size of the sensor itself remains the same, the spatial resolution capability is improved and the interaction area between the sensor and the test area is reduced. That means that the sensor itself
  • REPLACEMENT LEAF can have a very large size even with very good spatial resolution. This makes its manufacture simpler, cheaper and more reproducible (the principle is comparable to that of the read / write heads of disk drives, for which the absolute size of the ferrite core is less important than the width of its gap) .
  • the use of the sensor according to the invention is particularly advantageous in the detection of features with a pronounced orientation, such as the detection of weld seams (63) shown on FIG. 6 on longitudinally welded pipes (62).
  • the process of this detection is as follows:
  • the sensor (61) according to the invention is attached to the tube in such a way that the axis of the sensor coils comes to lie parallel to the tube axis,
  • the sensor according to the invention offers further advantages over conventional sensors:
  • the disturbance variable "change in distance" (lifting effect) can be more targeted than with conventional sensors by different phase angles of the signal components
  • REPLACEMENT LEAF filter out. 7 illustrates the relationships: it compares the movements of the working points in the impedance plane between the sensor according to the invention (left) (71) and a conventional sensor with a pin core in a differential arrangement (with an axis oriented radially to the tube) (right) ) (72) if the sensor is moved over the stationary pipe (wiggle effect).
  • the sensors above the tube (73) are shown schematically at the top in FIG.
  • the arrows indicate the directions in which the sensors can be moved over the pipe.
  • the corresponding shifts of the measurement signal in the impedance plane are shown as excursions of the operating points (74).
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of the sensor according to the invention, in which a further coil (81) is added to the sensor, which serves to premagnetize the test object, in which the object is magnetized to saturation by means of a constant magnetic field.
  • This measure can help suppress interference signals caused by strain hardening.
  • the senor according to the invention can also be used for other testing or positioning tasks in which there are features with a clear orientation or in which the design of the sensor is appropriate due to the geometric relationships, for example when tracking contours, edges, Beads, grooves or similar structures.
  • test object 7 test surface
  • REPLACEMENT LEAF 28 electrical voltage at the measuring and compensation coils (U M ) (signal output)

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Abstract

Known eddy current sensors are either very costly to manufacture, may not induce the magnetic alternating field in the testpiece as desired, may have only a very low local resolution power or their overall dimensions may be very large, etc. Usually they suffer from a number of these drawbacks at the same time. In the eddy current sensor of the invention, the axis of the sensor coils (1, 2) is arranged horizontally over the test surface (7). The coils surround a ferrite core (3), both ends of which are designed as legs (4 and 5), angled in the direction of the test surface and converging towards their ends. In view of the short length of the gaps only small field losses occur in the air gaps (10 and 11). The interaction surface is small, the local resolution power very high and substantially independent of the overall size of the sensor. Other important details of the sensor are its substantial insensitivity to distance, its ability to induce the magnetic alternating field very precisely into the testpiece and its ability to operate at even considerable distances from the testpiece. Particularly outstanding is the fact that the sensor can identify features having a characteristic orientation.

Description

BeschreibuncrDescription
Hörizontal-WirbeistromsensorHörizontal eddy current sensor
Die Erfindung bezieht sich auf einen Horizontal-Wirbel- stromsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a horizontal eddy current sensor according to the preamble of claim 1.
Bekannt sind Wirbelstromsensoren, die in der zerstö- rungsfreien Prüfung zur Erkennung von Merkmalen an Prüfge- genständen und bei berührungslos arbeitenden Näherungs- schaltern eingesetzt werden. Derartige Sensoren gibt es in verschiedenen Varianten. Bezüglich der Bauform unterschei¬ det man im allgemeinen zwischen Außendurchlauf-, Innen- durchlauf- und Tastsensor, wobei sich für den Tastsensor in der Praxis drei Grundtypen herausgebildet haben: Spule(n) ohne Kern, Spule(n) mit Stiftkern und Spule (n) mit Topf¬ kern. Bei allen drei Typen ist/sind die Spule(n) derart über dem Prüfgegenstand angeordnet, daß ihre Achse(n) in Richtung der Flächennormalen der Prüffläche zeigt/zeigen. Die Bauform mit Topfkern hat sich auch bei den berührungs¬ los arbeitenden Näherungsschaltern durchgesetzt. Seltener werden in der Fachliteratur und in der Patentliteratur Horizontal-Wirbelstro sensoren beschrieben, bei denen die Achse(n) der Spule(n) horizontal zur Prüffläche liegt/lie¬ gen, d.h. senkrecht zur Flächennormalen. Bezüglich der Ein¬ bindung des Sensors in die meßtechnische elektrische Schal¬ tung und der elektromagnetischen Kopplung mit dem Prüf¬ gegenstand gibt es ebenfalls verschiedene Varianten, z.B. Ausführungen in Absolut- oder Differenzanordnung, mit gal¬ vanisch entkoppelten Primär- und Sekundärkreisen (Transfor- atorprinzip) , usw.Eddy current sensors are known which are used in non-destructive testing for the detection of features on test objects and in contactless proximity switches. Such sensors are available in different versions. With regard to the design, a distinction is generally made between the outer pass, inner pass and push-button sensors, whereby three basic types have developed for the push-button sensor in practice: coil (s) without core, coil (s) with pin core and coil (s ) with pot core. In all three types, the coil (s) is / are arranged above the test object in such a way that their axis (s) point (s) in the direction of the surface normal of the test surface. The design with a pot core has also established itself in the case of the proximity switches which operate without contact. Rarely are described in the specialist literature and in the patent literature horizontal eddy current sensors in which the axis (s) of the coil (s) lie / lie horizontally to the test surface, i.e. perpendicular to the surface normal. With regard to the integration of the sensor into the metrological electrical circuit and the electromagnetic coupling with the test object, there are also different variants, e.g. Versions in absolute or differential arrangement, with galvanically decoupled primary and secondary circuits (transformer principle), etc.
Vorrichtungen mit Wirbelstromsensoren zur Erkennung von Merkmalen verfügen in der Regel über Mittel zur Herbeifüh¬ rung einer Relativbewegung zwischen dem Prüfgegenstand und dem Sensor. D.h., die Oberfläche des Prüfgegenstandes (Prüffläche) wird sequentiell abgetastet. Dabei treten in der Praxis Schwierigkeiten auf, die sich als Störsignale in den Signalen des Sensors abbilden und die Erkennung von Merkmalen erschweren oder sogar ganz verhindern. Zu diesen Schwierigkeiten gehören insbesonders :Devices with eddy current sensors for the detection of features generally have means for causing a relative movement between the test object and the sensor. That is, the surface of the test object (test area) is scanned sequentially. Doing so In practice, difficulties arise which are reflected in the signals of the sensor as interference signals and make the detection of features more difficult or even prevent them entirely. These difficulties include:
a) Schwankungen des Abstandes Sensor - Prüfgegenstand. Zum einen verursachen diese Schwankungen selber Störsignale (Abhebeeffekt) , zum anderen nimmt die Meßempfindlichkeit der bekannten Sensoren mit dem Abstand rapide ab.a) Fluctuations in the distance between sensor and test object. On the one hand, these fluctuations themselves cause interference signals (lift-off effect), on the other hand, the measuring sensitivity of the known sensors decreases rapidly with the distance.
b) Störungen durch Materialinhomogenitäten. Besonders die Sensoren mit Topfkern weisen ein bauartbedingt schlechtes Ortsauflösungsvermögen auf, was die Erkennung von klein¬ flächigen Merkmalen erschwert, wenn großflächige Material- Inhomogenitäten vorliegen, auch wenn sich deren elektri¬ schen und/oder magnetischen Eigenscha en nur geringfügig von denen des Grundwerkstoffes unterscheiden. Durch die integrale Messung des Sensors über der gesamten Wechselwir¬ kungsfläche liefern großflächige schwache Merkmale die gleiche Signalamplitude wie kleinflächige Merkmale mit aus¬ geprägten Änderungen der elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften. Beide Merkmale können nicht voneinander unterschieden v/erden.b) Disruptions due to material inhomogeneities. The sensors with a pot core in particular have a poor spatial resolution due to their design, which makes it difficult to identify small-area features when there are large-area material inhomogeneities, even if their electrical and / or magnetic properties differ only slightly from those of the base material. Due to the integral measurement of the sensor over the entire interaction area, large-area weak features deliver the same signal amplitude as small-area features with pronounced changes in the electrical and / or magnetic properties. The two characteristics cannot be distinguished from one another.
c) Störungen durch die Länge des Luftspaltes. Sensoren mit Stiftkernen weisen zwar ein besseres Ortsauflösungsvermögen auf als Sensoren mit Topfkernen (siehe b) ) , können aber das magnetische Wechselfeld bauartbedingt schlecht bündeln: an beiden Enden des Stiftkerns tritt das magnetische Wechsel- feld aus und schließt sich über den umgebenden freien Raum. Der Anteil der Luftstrecke an der Gesamtlänge des magneti¬ schen Kreises ist sehr hoch. Wie wichtig jedoch ein gerin¬ ger Luftspalt ist, zeigt die Tatsache, daß in ihm der Gro߬ teil der Feldstärke verbraucht wird. Nimmt der Abstand δ zwischen dem Sensor und dem Prüfgegenstand zu, so dreht sich die Scherungsgerade des magnetischen Kreises im Uhr¬ zeigersinn. D.h. , ein immer größerer Anteil der Feldstärke wird im Spalt verbraucht, der magnetische Fluß φ wird immerc) disturbances due to the length of the air gap. Although sensors with pin cores have a better spatial resolution than sensors with pot cores (see b)), they are difficult to bundle the alternating magnetic field due to their design: the alternating magnetic field emerges at both ends of the pin core and closes over the surrounding free space. The proportion of the air gap in the total length of the magnetic circuit is very high. How important is, however, a clotting ¬ ger air gap shown by the fact that the Gro߬ part of the field strength is consumed in it. If the distance δ between the sensor and the test object increases, the shear line of the magnetic circuit rotates clockwise. Ie, an ever larger proportion of the field strength is consumed in the gap, the magnetic flux φ is always
ERSATZBLATT geringer. Dabei kann von der Annahme ausgegangen werden, daß die gesamte zur Verfügung stehende Feldstärke, die die Erregerspule des Sensors zur Verfügung stellt, unabhängig von der Spaltweite nahezu konstant ist:REPLACEMENT LEAF less. It can be assumed that the total field strength available from the excitation coil of the sensor is almost constant regardless of the gap width:
Hscsor ~ const .Hs csor ~ const.
Den besten technischen Kompromiß bei hohem Ortsauf¬ lösungsvermögen bieten bisher Sensoren mit Stiftkernen in Differenzanordnung. Nachteilig ist bei diesen Sensoren jedoch - neben den bereits genannten - die teure und auf¬ wendige Herstellung. Es ist weiterhin schwer, einen einmal gebauten Sensor präzise bezüglich seiner Eigenschaften zu reproduzieren.So far, sensors with pin cores in a differential arrangement offer the best technical compromise with a high spatial resolution. A disadvantage of these sensors, however, is - besides those already mentioned - the expensive and complex manufacture. It is still difficult to precisely reproduce the properties of a sensor once it has been built.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wirbel¬ stromsensor zu schaffen, der unempfindlich gegen Abstands- änderungen ist, ein hohes Ortsauflösungsvermögen aufweist, das magnetische Feld gezielt und ohne großen Verlusten in den Prüfgegenstand einleitet, bei der Herstellung preiswert ist und in größeren Stückzahlen mit reproduzierbaren Eigen¬ schaften herstellbar ist.The object of the invention is to create an eddy current sensor which is insensitive to changes in distance, has a high spatial resolution, introduces the magnetic field into the test object in a targeted manner and without great losses, is inexpensive to manufacture and is available in larger quantities reproducible properties can be produced.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeich¬ net.A solution to this problem according to the invention is characterized by its developments in the claims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs- beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher be- schrieben, in der zeigenThe invention is described in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawings, in which:
Fig. 1 die Grundform des erfindungsgemäßen Sensors in einer isometrischen Darstellung,1 shows the basic shape of the sensor according to the invention in an isometric representation,
Fig. 2 eine erste mögliche Einbindung des erfindungsge äßen Sensors in die meßtechnische elektrische Schaltung,2 shows a first possible integration of the sensor according to the invention into the metrological electrical circuit,
Fig. 3 eine zweite mögliche Einbindung des erfindungsge¬ mäßen Sensors in die meßtechnische elektrische Schaltung, Fig. 4 einige mögliche Varianten zur Ausgestaltung der Ferritkern-Schenkel in der Y-Richtung,3 shows a second possible integration of the sensor according to the invention into the metrological electrical circuit, 4 shows some possible variants for the configuration of the ferrite core legs in the Y direction,
Fig. 5 einige mögliche Varianten zur Ausgestaltung der Ferritkern-Schenkel in der X-Richtung, Fig. 6 beispielhaft einen erfindungsgemäßen Sensor über einem Rohr mit Längsnaht,5 shows some possible variants for the configuration of the ferrite core legs in the X direction, FIG. 6 shows an example of a sensor according to the invention over a tube with a longitudinal seam,
Fig. 7 einen Vergleich des Verhaltens bei Abstandsänderun- gen zwischen den erfindungsgemäßen Sensor und einem konven¬ tionellen Sensor in Dif erenzanordnung, Fig. 8 einen erfindungsgemäßen Sensor, der zur Vormagneti¬ sierung um eine './eitere Spule ergänzt ist.7 shows a comparison of the behavior in the event of changes in the distance between the sensor according to the invention and a conventional sensor in a differential arrangement, FIG. 8 shows a sensor according to the invention which is supplemented by a further coil for premagnetization.
Fig. l zeigt die Grundform des erfindungsgemäßen Sen¬ sors mit seinen Einzelteilen. Die Wicklungen der Erreger- sDule (1) und der Meßspule (2) werden in ihrer Achsrichtung von einen Ferritkern (3) durchdrungen, dessen beiden Enden als Schenkel (4) und (5) ausgestaltet sind, die in Richtung zur Oberfläche des PrüfGegenstandes hin abgewinkelt sind und sich an den Enden verJüngern. Der Sensor wird derart über der Prüffläche (7) des Prüfgεgenstandes (6) angeord¬ net, daß die Achse der Spulen (1) und (2) senkrecht zur Flächennorr.alen (8) der Prüffläche (7) zu liegen kommt und daß die Schenkel (4) und (5) über zwei Luftspalte (10) und (il) einen geringen Abstand zur Prüf läche (7) aufweisen. Der magnetische Kreis (9) schließt sich übe.'- den Ferritkern (3) , den Prü egenstand (6) und die beiden Luftspalte (10) und (11) .1 shows the basic shape of the sensor according to the invention with its individual parts. The windings of the exciter coil (1) and the measuring coil (2) are penetrated in their axial direction by a ferrite core (3), the two ends of which are designed as legs (4) and (5) which point towards the surface of the test object are angled and taper at the ends. The sensor is arranged above the test surface (7) of the test object (6) in such a way that the axis of the coils (1) and (2) comes to lie perpendicular to the surface normal (8) of the test surface (7) and that Legs (4) and (5) over two air gaps (10) and (il) have a short distance from the test surface (7). The magnetic circuit (9) closes via the ferrite core (3), the test bench (6) and the two air gaps (10) and (11).
Fig. 2 zeigt beispielhaft eine erste mögliche Einbin- düng des erfindungsgemäßen Sensors in die meßtechnische elektrische Schaltung. Die elektrische Spannung (21) speist die Erregerspulen (23) und (26) zweier erfindungsge äßer Sensoren (22) und (25) mit einer der Aufgabenstellung ange¬ paßten Frequenz und Amplitude, wobei der erste der beiden Sensoren (22) nahe dem Prüfgegenstand angeordnet ist und zur Messung dient, der andere Sensor (25) fern vom Prüf¬ gegenstand angeordnet ist und zur Kompensation dient. Die elektrische Spannung (28) an der Heßspule (24) und an derFig. 2 shows an example of a first possible Einbin- d ü ng of the sensor according to the invention in which metrological electrical circuit. The electrical voltage (21) supplies the excitation coils (23) and (26) of two erfindungsge äßer sensors (22) and (25) with one of the task being ¬ fitted frequency and amplitude, wherein the first of the two sensors (22) close to the test object is arranged and used for measurement, the other sensor (25) is arranged far from the test object and is used for compensation. The electrical voltage (28) on the heating coil (24) and on
ERSATZBLATT Kompensationsspule (27) wird einer Auswerteschaltung zuge¬ führt. Die Erregerspulen (23) und (26) sind galvanisch von der Meßspule (24) und der Kompensationsspule (27) getrennt (Transformator-Prinzip) . Gemäß DIN 54 140, Teil 3 handelt es sich um einen Wirbelstromsensor der Bauart AK-T-TSREPLACEMENT LEAF Compensation coil (27) is fed to an evaluation circuit. The excitation coils (23) and (26) are galvanically separated from the measuring coil (24) and the compensation coil (27) (transformer principle). According to DIN 54 140, part 3, it is an eddy current sensor of type AK-T-TS
(Absolutspule mit Kompensationsspule - Transformatorische Schaltung - Tasts_pule) .(Absolute coil with compensation coil - transformer circuit - Tasts_pule).
Fig. 3 zeigt beispielhaft eine zweite mögliche Ein- bindung des erfindungsgemäßen Sensors in die meßtechnische elektrische Schaltung. Die elektrische Spannung (31) mit einer der Aufgabenstellung angepaßten Frequenz und Ampli¬ tude speist ein induktives Spulensystem in Brückenschaltung (35) , in der die Erregerspule (33) eines erfindungsgemäßen Sensors (32) einen Teil der Meßbrücke bildet. Die Meßspule (34) des Sensors wird in dieser Schaltung nicht verwendet und kann weggelassen werden. Das Ausgangssignal der Me߬ brücke (36) wird einer Auswerteschaltung zugeführt (Wheat- stone-Brücken-Prinzip) .3 shows, by way of example, a second possible integration of the sensor according to the invention into the metrological electrical circuit. The electrical voltage (31) with a frequency and amplitude adapted to the task feeds an inductive coil system in a bridge circuit (35) in which the excitation coil (33) of a sensor (32) according to the invention forms part of the measuring bridge. The measuring coil (34) of the sensor is not used in this circuit and can be omitted. The output signal of the measuring bridge (36) is fed to an evaluation circuit (Wheatstone bridge principle).
Fig. 4 zeigt beispielhaft einige mögliche Varianten zur Ausgestaltung der Ferritkern-Schenkel in Y-Richtung. In Ab¬ hängigkeit von unterschiedlichen Zielsetzungen oder Rand¬ bedingungen können die Schenkel an ihren Unterseiten abge- flacht (41), spitz (42), abgerundet (43) oder auch der Geo¬ metrie des Prüfgegenstandes angepaßt (44) sein. Für Anwen¬ dungen in Differenzanordnung können zwei erfindungsgemäße Sensoren so angeordnet sein, daß sie beide nebeneinander ((45) und (46)) , hintereinander oder auch versetzt nahe dem Prüfgegenstand in einer Ebene parallel zur Prüffläche liegen.4 shows an example of some possible variants for the configuration of the ferrite core legs in the Y direction. Depending on different objectives or boundary conditions, the legs can be flattened (41), pointed (42), rounded (43) on their undersides or also adapted (44) to the geometry of the test object. For applications in a differential arrangement, two sensors according to the invention can be arranged such that they are both next to one another ((45) and (46)), one behind the other or also offset near the test object in a plane parallel to the test surface.
Fig. 5 zeigt beispielhaft einige mögliche Varianten zur Ausgestaltung der Ferritkern-Schenkel in X-Richtung. In Ab- hängigkeit von unterschiedlichen Zielsetzungen oder Rand¬ bedingungen können die Schenkel gerade (51) , innen angefast (52) , außen angefast (53) oder auch der Geometrie des Prüf¬ gegenstandes (55) angepaßt (54) sein.5 shows an example of some possible variants for the configuration of the ferrite core legs in the X direction. Depending on different objectives or boundary conditions, the legs can be straight (51), chamfered on the inside (52), chamfered on the outside (53) or also adapted (54) to the geometry of the test object (55).
ERSATZBLATT Die mit der Erfindung erzielten Vorteile gegenüber konventionellen Sensoren bestehen insbesondere im folgen¬ den:REPLACEMENT LEAF The advantages achieved with the invention compared to conventional sensors consist in particular in the following:
a) Die Gesamtlänge des Luftspaltes (bestehend aus (10) und (11)) ist wesentlich geringer. Dadurch kann mit geringerem Erregerstrom mehr Fluß erzeugt werden. Da die Kopffläche durch die Verjüngungen außerdem sehr klein ist, ergibt sich gemäß der Gleichung B = /A eine extrem hohe Flußdichte im Spalt - auch im Vergleich zu Topfkernspulen, deren Kopf- flache relativ groß ist.a) The total length of the air gap (consisting of (10) and (11)) is significantly less. As a result, more flux can be generated with a lower excitation current. Since the head area is also very small due to the tapering, the equation B = / A results in an extremely high flux density in the gap - also compared to pot core coils, the head area of which is relatively large.
b) Die Abhebeempfindlichkeit ist wesentlich geringer. Dies hat einerseits zur Folge, daß Schwankungen des Abstands ge- ringere Störsignale liefern, zum anderen, daß der erfin- dungsgemäße Sensor bei geeigneten Randbedingungen selbst bei einem Abstand zur Prüffläche von mehr als 10 Milli¬ metern Merkmale noch zuverlässig erkennt. Laut Veröffent¬ lichungen in der Fachliteratur, insbesondere in [Burke, S.K.: Impedance of a Horizontal Coil Above a Conductingb) The lifting sensitivity is much lower. On the one hand, this has the consequence that fluctuations in the distance supply less interference signals, and on the other hand that the sensor according to the invention reliably detects features under suitable boundary conditions even at a distance from the test surface of more than 10 millimeters. According to publications in the specialist literature, in particular in [Burke, S.K .: Impedance of a Horizontal Coil Above a Conducting
Half-Space. Journal of Physics D, Applied Physics 19(1986) 07, p. 1159-1173.] und in [Palanisamy,R. : Prediction of Eddy Current Probe Sensitivity for the Sizing of Case Depth in Ferrous Components. IEEE Transactions on Magnetics 23 (1987)5, p. 3308-3311.] ist die Abhebeempfindlichkeit bei Horizontalspulen auch theoretisch tendenziell geringer als bei Vertikalspulen.Half space. Journal of Physics D, Applied Physics 19 (1986) 07, p. 1159-1173.] And in [Palanisamy, R. : Prediction of Eddy Current Probe Sensitivity for the Sizing of Case Depth in Ferrous Components. IEEE Transactions on Magnetics 23 (1987) 5, p. 3308-3311.], In theory, the lifting sensitivity of horizontal coils tends to be lower than that of vertical coils.
c) Die Verjüngung der Ferritkernschenkel (4) und (5) und die in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellten Möglichkeiten derc) The tapering of the ferrite core legs (4) and (5) and the options shown in Fig. 4 and Fig. 5
Anpaßung an die Geometrie des Prüfgegenstandes ((44) und (54)) bzw. der Anfasung ((52) und (53)) erlauben eine gute Bündelung des magnetischen Wechselfeldes und eine gezielte Einleitung dieses Feldes in den Prüfgegenstand an den interessierenden Stellen. Bei gleichbleibender Baugröße des Sensors selber werden dadurch das Ortsauflösungsvermögen verbessert und die Wechselwirkungsflache zwischen Sensor und Prüffläche vermindert. Das heißt, daß der Sensor selberAdaptation to the geometry of the test object ((44) and (54)) or the chamfer ((52) and (53)) allow good bundling of the alternating magnetic field and targeted introduction of this field into the test object at the points of interest. If the size of the sensor itself remains the same, the spatial resolution capability is improved and the interaction area between the sensor and the test area is reduced. That means that the sensor itself
ERSATZBLATT auch bei sehr gutem Ortsauflösungsvermögen eine sehr große Baugröße aufweisen kann. Das macht seine Herstellung ein¬ facher, billiger und reproduzierbarer (das Prinzip ist ver¬ gleichbar mit dem der Schreib-/Leseköpfe von Diskettenlauf- werken, bei denen es auch weniger auf die absolute Größe des Ferritkerns als vielmehr auf die Breite seines Spaltes ankommt) .REPLACEMENT LEAF can have a very large size even with very good spatial resolution. This makes its manufacture simpler, cheaper and more reproducible (the principle is comparable to that of the read / write heads of disk drives, for which the absolute size of the ferrite core is less important than the width of its gap) .
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz des erfindungs- gemäßen Sensors bei der Erkennung von Merkmalen mit einer ausgeprägten Orientierung, wie der in Fig. 6 beispielhaft aufgezeigten Erkennung von Schweißnähten (63) an längsge- schweißten Rohren (62) . Der Ablauf dieser Erkennung ist wie folgt:The use of the sensor according to the invention is particularly advantageous in the detection of features with a pronounced orientation, such as the detection of weld seams (63) shown on FIG. 6 on longitudinally welded pipes (62). The process of this detection is as follows:
1. Der erfindungsgemäße Sensor (61) wird derart am Rohr angesetzt, daß die Achse der Sensorspulen parallel zur Rohrachse zu liegen kommt,1. The sensor (61) according to the invention is attached to the tube in such a way that the axis of the sensor coils comes to lie parallel to the tube axis,
2. das Rohr wird um die Längsachse gedreht (Rotation) , 3. wenn der Sensor die Naht detektiert hat, wird die Rota¬ tion gestoppt. Die Erkennung ist erfolgreich beendet.2. the tube is rotated about the longitudinal axis (rotation), 3. when the sensor has detected the seam, the rotation is stopped. The recognition has ended successfully.
Bei diesem Anwendungsfall ergeben sich durch den erfin- dungsgemäßen Sensor weitere Vorteile gegenüber konventio- nellen Sensoren:In this application, the sensor according to the invention offers further advantages over conventional sensors:
d) Die Ausdehnung der Meßfläche in tangentialer Rohrrich¬ tung ist wesentlich geringer. Das macht die Messungen un¬ empfindlicher gegen (großflächige aber schwache) Inhomo- genitäten im Grundwerkstoff des Rohres.d) The extent of the measuring surface in the tangential direction of the pipe is substantially smaller. This makes the measurements less sensitive to (large-area but weak) inhomogeneities in the base material of the tube.
e) Die Ausdehnung der Meßfläche in Richtung der Rohrachse ist dagegen wesentlich größer. Dies macht die Messungen unempfindlicher gegen Beschädigungen der Rohroberfläche.e) The extent of the measuring surface in the direction of the pipe axis, however, is much larger. This makes the measurements less sensitive to damage to the pipe surface.
f) Desweiteren läßt sich die Störgröße "Abstandsänderung" (Abhebeeffekt) gezielter als bei konventionellen Sensoren durch unterschiedliche Phasenwinkel der Signalbestandteilef) Furthermore, the disturbance variable "change in distance" (lifting effect) can be more targeted than with conventional sensors by different phase angles of the signal components
ERSATZBLATT ausfiltern. Fig. 7 verdeutlicht die Zusammenhänge: es ver¬ gleicht die Bewegungen der Arbeitspunkte in der Impedanz¬ ebene zwischen dem erfindungsgemäßen Sensor (links) (71) und einem konventionellen Sensor mit Stiftkern in Differenzan- Ordnung (mit radial zum Rohr ausgerichteter Achse) (rechts) (72) , wenn der Sensor über dem stillstehenden Rohr bewegt wird (Wackeleffekt) . Oben in Fig. 7 sind die Sensoren über dem Rohr (73) schematisch dargestellt. Die Pfeile zeigen die Richtungen an, in denen die Sensoren über dem Rohr be- wegt werden können. Unten in Fig. 7 sind die entsprechenden Verschiebungen des Meßsignals in der Impedanzebene als Aus¬ schläge der Arbeitspunkte (74) dargestellt. Die Darstellung macht deutlich, daß bei einem Sensor in Differenzanordnung nicht von einer Abheberichtung gesprochen werden kann, son- dern mehrere Abheberichtungen auftreten. Besonders seit¬ liche Bewegungen des Sensors führen zu Schwierigkeiten, weil dann der Abstand der einen Spule zum Rohr verringert, der der anderen hingegen vergrößert wird. Die Folge sind ausgeprägte Differenzsignale, die sich erheblich von den Signalen "echter" Abstandsänderungen unterscheiden. Der er- findungsgemäße Sensor kennt diese Probleme nicht: alle Ab- hebesignale liegen in einer Geraden und lassen sich so leicht von Nahtsignalen - die in eine andere Richtung zeigen - unterscheiden.REPLACEMENT LEAF filter out. 7 illustrates the relationships: it compares the movements of the working points in the impedance plane between the sensor according to the invention (left) (71) and a conventional sensor with a pin core in a differential arrangement (with an axis oriented radially to the tube) (right) ) (72) if the sensor is moved over the stationary pipe (wiggle effect). The sensors above the tube (73) are shown schematically at the top in FIG. The arrows indicate the directions in which the sensors can be moved over the pipe. At the bottom of FIG. 7, the corresponding shifts of the measurement signal in the impedance plane are shown as excursions of the operating points (74). The illustration makes it clear that in the case of a sensor in a differential arrangement, one cannot speak of one lifting direction, but rather several lifting directions occur. Lateral movements of the sensor in particular lead to difficulties because the distance between the one coil and the tube is then reduced, while the other is increased. The result is pronounced difference signals which differ significantly from the signals of "real" changes in distance. The sensor according to the invention does not know these problems: all take-off signals lie in a straight line and can therefore be easily distinguished from seam signals which point in a different direction.
Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors, in dem dem Sensor eine weitere Spule (81) hinzugefügt wird, die zur Vormagnetisierung des Prüfgegenstandes dient, bei der dieser durch ein magne- tisches Gleichfeld bis zur Sättigung magnetisiert wird. Diese Maßnahme kann helfen, durch Kaltverfestigungen her¬ vorgerufene Störsignale zu unterdrücken.8 shows a further exemplary embodiment of the sensor according to the invention, in which a further coil (81) is added to the sensor, which serves to premagnetize the test object, in which the object is magnetized to saturation by means of a constant magnetic field. This measure can help suppress interference signals caused by strain hardening.
Vorstehend ist die Erfindung exemplarisch ohne Be- schränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens und/oder des Anwendungsbereiches beschrieben worden. Es wird darauf hingewiesen, daß die Zeichnungen und ihre Beschreibungen mögliche Varianten einer Ausgestaltung des erfindungs-The invention has been described above by way of example without restricting the general inventive concept and / or the field of application. It is pointed out that the drawings and their descriptions are possible variants of an embodiment of the invention.
ERSATZBLATT ge äßen Sensors darstellen. Die Zeichnungen nehmen nicht für sich in Anspruch, bezüglich Maßstab und Größen- bzw. Längenverhältnissen verbindlich zu sein. Sie sind vielmehr als Beispiele gedacht, die das Prinzip der Erfindung auf- zeigen.REPLACEMENT LEAF display ge sensors. The drawings do not claim to be binding with regard to scale and size or length ratios. Rather, they are intended to be examples which demonstrate the principle of the invention.
Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Sensor auch für andere Prüf- oder Positionieraufgaben herangezogen werden, bei denen Merkmale mit einer deutlichen Orientie- rung vorliegen oder bei denen sich die Bauform des Sensors wegen den geometrischen Verhältnissen anbietet, beispiels¬ weise bei der Verfolgung von Konturen, Kanten, Wülsten, Nuten oder ähnlichen Gebilden.Of course, the sensor according to the invention can also be used for other testing or positioning tasks in which there are features with a clear orientation or in which the design of the sensor is appropriate due to the geometric relationships, for example when tracking contours, edges, Beads, grooves or similar structures.
Bezugszeichen-Liste ( Begriffe in AnlehnunG an PIN 54 140 , Tei l 2 ) :List of reference symbols (terms based on PIN 54 140, Part 2):
I Erregerspule (Primär-Wicklung) 2 Meßspule ( Sekundär-Wicklung)I excitation coil (primary winding) 2 measuring coil (secondary winding)
3 Ferritkern3 ferrite core
4 Schenkel4 legs
5 Schenkel5 legs
6 Prüfgegenstand 7 Prüffläche6 test object 7 test surface
8 Flächennormale8 surface normals
9 magnetischer Kreis9 magnetic circuit
10 Luftspalt10 air gap
II LuftspaltII air gap
21 elektrische Spannung an den Erregerspulen (UE) (Signal¬ eingang)21 electrical voltage at the excitation coils (U E ) (signal input)
22 erfindungsgemäßer Sensor (für die Messung)22 sensor according to the invention (for the measurement)
23 Erregerspule 24 Meßspule23 excitation coil 24 measuring coil
25 erfindungsgemäßer Sensor (für die Kompensation)25 sensor according to the invention (for compensation)
26 Erregerspule26 excitation coil
27 Kompensationsspule27 compensation coil
ERSATZBLATT 28 elektrische Spannung an den Meß- und Kompensations¬ spulen (UM) (Signalausgang)REPLACEMENT LEAF 28 electrical voltage at the measuring and compensation coils (U M ) (signal output)
31 Signaleingang31 signal input
32 erfindungsgemäßer Sensor32 sensor according to the invention
33 Erregerspule = Meßspule33 excitation coil = measuring coil
34 inaktive Meßspule34 inactive measuring coil
35 Spulensystem in Brückenschaltung 36 Signalausgang35 coil system in bridge circuit 36 signal output
41 Ferritkern mit abgeflachter Unterseite41 ferrite core with flattened underside
41 Ferritkern mit spitzer Unterseite41 ferrite core with a pointed underside
41 Ferritkern mit abgerundeter Unterseite41 ferrite core with rounded bottom
41 Ferritkern mit an den Prüfgegenstand angepaßter Unter- seite41 ferrite core with underside adapted to the test object
45 Ferritkern für Differenzanordnung45 ferrite core for differential arrangement
46 Ferritkern für Differenzanordnung46 ferrite core for differential arrangement
47 Prüfgegenstand47 test object
51 Ferritkern in Grundform51 ferrite core in basic form
52 Ferritkern mit innen angefasten Schenkeln52 ferrite core with chamfered legs on the inside
53 Ferritkern mit außen angefasten Schenkeln53 ferrite core with outside chamfered legs
54 Ferritkern mit an den Prüfgegenstand angepaßter Unter¬ seite 55 Prüfgegenstand54 ferrite core with underside 55 adapted to the test object
61 erfindungsgemäßer Sensor61 sensor according to the invention
62 Rohr62 tube
63 Schweißnaht63 weld
71 erfindungsgemäßer Sensor71 sensor according to the invention
72 konventioneller Sensor in Differenzanordnung72 conventional sensor in differential arrangement
73 Rohr73 pipe
74 Arbeitspunkte in Ruhestellung74 working points at rest
81 Spule zur Vormagnetisierung81 coil for premagnetization
ERSATZBLATT REPLACEMENT LEAF

Claims

-11-Patentansprüche -11 claims
1. Wirbelstromsensor zur Erkennung von Merkmalen an elek¬ trisch leitenden und/oder magnetisierbaren Prüfgegen- ständen,1. eddy current sensor for detecting features on electrically conductive and / or magnetizable test objects,
dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Sensor- spule(n) senkrecht zur Flächennormalen der Prüffläche liegt, daß ferner diese Spule(n) einen Ferritkern um- fasst/umfassen, der an den beiden Enden der Spule(n) in Richtung der Prüffläche abgewinkelte Schenkel bildet, die sich an den Enden verJüngern.characterized in that the axis of the sensor coil (s) is perpendicular to the surface normal of the test surface, that this coil (s) comprises / comprise a ferrite core which angled at both ends of the coil (s) in the direction of the test surface Forms legs that taper at the ends.
Wirbelstromsensor nach Anspruch 1,Eddy current sensor according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zwei galvanisch entkoppelte Spulen aufweist, von denen die eine als Erregerspule, die zweite als Meßspule beschaltet ist (transfor atische Schaltung) .characterized in that the sensor has two galvanically decoupled coils, one of which is connected as an excitation coil, the second as a measuring coil (transfor atic circuit).
Wirbelstromsensor nach Anspruch 1,Eddy current sensor according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine Spule auf¬ weist, die einen Teil einer Meßbrücke darstellt (Brük- kenschaltung) . characterized in that the sensor has a coil which is part of a measuring bridge (bridge circuit).
4. Wirbelstromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche,4. eddy current sensor according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritkern-Schenkel an ihrer Unterseite beliebig ausgestaltet sind und so an die jeweilige Aufgabenstellung angepaßt sind.characterized in that the ferrite core legs are arbitrarily designed on their underside and are thus adapted to the respective task.
5. Wirbelstromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche,5. eddy current sensor according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritkern-Schenkel an einer oder beiden Längsseiten angefast sind.characterized in that the ferrite core legs are chamfered on one or both long sides.
6. Wirbelstromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche,6. eddy current sensor according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, daß ein erfindungsgemäßer Sen- sor nahe dem Prüfgegenstand angeordnet ist, ein zweiter erfindungsgemäßer Sensor fern vom Prüfgegenstand ange¬ ordnet ist (Vergleichsanordnung)characterized in that a sensor according to the invention is arranged close to the test object, a second sensor according to the invention is arranged far from the test object (comparison arrangement)
7. Wirbelstromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche,7. eddy current sensor according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei erfindungsgemäße Sen¬ soren nebeneinander, hintereinander oder versetzt nahe dem Prüfgegenstand in einer Ebene parallel zur Prüf¬ fläche angeordnet sind (Differenzanordnung) .characterized in that two sensors according to the invention are arranged side by side, one behind the other or offset near the test object in a plane parallel to the test surface (differential arrangement).
8. Wirbelstromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche,8. eddy current sensor according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Sensor eine zusätzliche Spule hinzugefügt wird, die ein magnetisches Gleichfeld erzeugt, durch welches der Prüfgegenstand bis zur Sät¬ tigung magnetisiert wird. characterized in that an additional coil is added to the sensor, which generates a constant magnetic field through which the test object is magnetized until saturated.
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