DD224946B1

DD224946B1 - ARRANGEMENT FOR THE MAGNETO-INDUCTION-FREE CHEMICAL-FREE MATERIAL TESTING ACCORDING TO THE RESONANCE METHOD

Info

Publication number: DD224946B1
Application number: DD26258283A
Authority: DD
Inventors: Hartmut Ewald; Lothar Arscholl; Friedrich Lorenz
Original assignee: Paedagogische Hochschule L Her
Priority date: 1983-11-01
Filing date: 1983-11-01
Publication date: 1989-04-12
Also published as: DD224946A1

Abstract

Die erfindungsgemäße Anordnung dient zur Erhaltung der Resonanzbedingungen in einem Reihenschwingkreis, der aus der Prüfspule und einer entsprechenden Kapazität gebildet wird. Als Meßinformation kann der Resonanzstrom und die Resonanzfrequenz ausgewertet werden. Die Erhaltung der Resonanzbedingungen im Schwingkreis wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine automatische Frequenznachsteuerung des Speisegenerators 8 bis zur Resonanzfrequenz des Schwingkreises aus dem Phasenvergleich (5) der Eingangswechselspannung und des Schwingkreisstromes erfolgt. Somit können auch Prüfspulen niedrigster Güte bei der magnetinduktiven Werkstoffprüfung nach der Resonanzmethode verwendet werden.The arrangement according to the invention serves to maintain the resonance conditions in a series resonant circuit which is formed from the test coil and a corresponding capacitance. As measurement information, the resonance current and the resonance frequency can be evaluated. The preservation of the resonance conditions in the resonant circuit is inventively achieved in that an automatic frequency tracking of the feed generator 8 to the resonant frequency of the resonant circuit from the phase comparison (5) of the AC input voltage and the resonant circuit current. Thus, even the lowest quality test coils can be used in the magnetic inductive material test according to the resonance method.

Description

Fields of application of the invention

Angewendet in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung für Wirbelstrom verfahren, bei denen die Spule (Meßwertaufnehmer) im Resonanzbetrieb arbeitet. Hierzu gehören die Schichtdickenmessungen von Isolationsschichten auf Eisen- und Nichteisenmetallen, das Feststellen von Inhomogenitäten in elektrisch leitenden Stoffen gegenüber einem Eichzustad sowie das Erfassen von geometrischen Abmessungen bei elektrisch leitenden Teilen. Mit einer speziell konstruktiv und elektrisch gestalteten Sonde ist weiterhin das Feststellen von Unterrostungserscheinungen an beschichteten Stahlteilen möglich (vgl. WP 230933).Used in non-destructive materials testing for eddy current processes where the coil (transducer) operates in resonance mode. These include the layer thickness measurements of insulating layers on ferrous and non-ferrous metals, the detection of inhomogeneities in electrically conductive materials compared to a calibration stage as well as the detection of geometric dimensions in electrically conductive parts. With a specially designed and electrically designed probe it is also possible to detect signs of corrosion on coated steel parts (see WP 230933).

Characteristic of the known technical solutions

Bei den Resonanzverfahren wird die Spule (Meßwertaufnehmer) mit einem entsprechenden Kondensator als Schwingkreis geschaltet und der Resonanzstrom, die Resonanzspannung oder die Resonanzfrequenz ausgewertet. Sensorspulen in der magnetinduktiven Werkstoffprüfung besitzten auf Grund der großen Bedämpfung meist kleine Güten. Der Resonanzzustand wird durch rückgekoppelte Verstärker (harmonische Oszillatoren und Oszillatoren mit nichtharmonischem Ausgangssignal) erreicht, wobei die Spule ein frequenzbestimmendes Bauelement ist. Bekannt ist weiterhin die Entdämpfung des Schwingkreises mittels negativem Widerstand bis zur stabilen Dauerschwingung. Bringt man in das Wirkungsfeld der Spule den zu prüfenden Körper (elektrisch leitend), dann kommt es zu einer Änderung des Resonanzstromes auf Grund der Parametervariation der Spule. Die Änderung der Resonanzfrequenz kann ebenfalls als Meßinformation genutzt werden. Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen ist die Tatsache, daß auf Grund der niedrigen Güte der Prüfspulen — bedingt durch die hohen Wirbelstromverluste— stabile Dauerschwingungen mit konstanter Frequenz bei großer Variation der Spulenparameter schwer zu erzeugen sind. Bei starken Änderungen der Spulenparameter führt dieses oft zum Abreißen der selbsterregten Schwingung. Auch mit der in der US-PS 4187462 vorgestellten Vorrichtung kann keine parametrische Sensorspule kontinuierlich in Verbindung mit einem Kondensator und einem Reihenwiderstand auf der Reihenresonanzfrequenz des Schwingkreises gehalten werden. Ähnliches gilt für die Vorrichtungen des SU-US 557311 und der US-PS 4290008, wobei beim letzteren Resonanzkreise prinzipiell nicht ausgemessen werden können (auf der Resonanzfrequenz).In the resonance method, the coil (transducer) is connected with a corresponding capacitor as a resonant circuit and evaluated the resonance current, the resonance voltage or the resonance frequency. Sensor coils in the magnetic-inductive material testing usually have small grades due to the high attenuation. The resonance state is achieved by feedback amplifiers (harmonic oscillators and non-harmonic output oscillators), the coil being a frequency-determining device. Also known is the Entedämpfung the resonant circuit by means of negative resistance to stable fatigue. If the body to be tested is brought into the field of action of the coil (electrically conductive), then the resonance current changes due to the parameter variation of the coil. The change of the resonance frequency can also be used as measurement information. A disadvantage of the known devices is the fact that due to the low quality of the test coils - due to the high eddy current losses - stable fatigue vibrations with constant frequency are difficult to produce with large variation of the coil parameters. With strong changes in the coil parameters, this often leads to the tearing off of the self-excited oscillation. Even with the device disclosed in US Pat. No. 4,187,462, no parametric sensor coil can be continuously maintained in conjunction with a capacitor and a series resistor at the series resonant frequency of the resonant circuit. The same applies to the devices of SU-US 557311 and US-PS 4290008, wherein in the latter resonant circuits in principle can not be measured (on the resonant frequency).

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung (Wirbelstromverfahren), die den Meßfühler (Sensorspule o. -kapazität) auch bei niedriger Sensorgüte und großer Parametervariation, auf Resonanz hält bzw. steuert. Als Meßinformation kann dabei der Resonanzstrom und (oder) die Resonanzfrequenz genutzt werden.The aim of the invention is to provide a device for non-destructive material testing (eddy current method), which holds the sensor (sensor coil o. Capacity) even with low sensor quality and large parameter variation, on resonance or controls. In this case, the resonance current and (or) the resonance frequency can be used as measurement information.

Explanation of the essence of the invention

Die technische Aufgabenstellung besteht darin, eine Anordnung zu schaffen, mit der eine parametrische Sensorspule (oder Kapazität), welche mit einem verlustarmen Kondensator (Spule) und einem Serienwiderstand als Reihenresonanzkreis geschaltet ist, auch bei niedrigen Spulengüten und großer Parametervariation, auf Resonanz gehalten bzw. gesteuert werden kann. Eine dem Schwingkreisstrom proportionale Spannung wird über dem Serienwiderstand gewonnen. Durch die Wahl der Größe des Serienwiderstandes im Verhältnis zum Spulenwicklungswiderstand kann das Verhalten der Anordnung bei Parametervariation des Sensors beeinflußt werden.The technical task is to provide an arrangement with which a parametric sensor coil (or capacitance), which is connected with a low-loss capacitor (coil) and a series resistor as a series resonant circuit, even at low coil qualities and large parameter variation, held to resonance or can be controlled. A voltage proportional to the resonant circuit current is obtained across the series resistor. By choosing the size of the series resistor in relation to the coil winding resistance, the behavior of the arrangement can be influenced in parameter variation of the sensor.

Bestimmendes Merkmal der Erfindung ist die automatische Frequenznachsteuerung des Speisegenerators bis zur Resonanzfrequenz des Schwingkreises aus dem Phasenvergleich der Eingangswechselspannung und des Schwingkreisstromes. Es gelingt somit auch bei Prüfspulen niedrigster Güte, den Resonanzzustand stabil aufrecht zu erhalten. Damit unterscheidet sich die Anordnung grundsätzlich von Anordnungen, die auf der Basis selbstschwingender Oszillatoren oder der Entdämpfung mittels negativer Widerstände arbeitenA determining feature of the invention is the automatic frequency tracking of the feed generator up to the resonant frequency of the resonant circuit from the phase comparison of the input AC voltage and the resonant circuit current. It is thus possible even with test coils lowest quality to maintain the resonance state stable. Thus, the arrangement differs fundamentally from arrangements which operate on the basis of self-oscillating oscillators or the damping by means of negative resistors

Bei der erfindungsgemäßen Anordung stellt der Resonanzstrom und die Frequenz des Generators die Meßinformation dar.In the arrangement according to the invention, the resonance current and the frequency of the generator is the measurement information.

embodiment

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung kann anhand des Blockschaltbildes (Bild 1) wie folgt erklärt werden: Die Schaltungsanordnung zur Frequenznachsteuerung besteht aus den Baugruppen 1 bis 9. Die Vorverstärker 1 und 2 liefern in Verbindung mit den Begrenzerstufen 3 und 4 die pegelgerechten Signale für den phasenempfindlichen Gleichrichter 5. Die Ausgangsspannung des Diskriminators wird über den Tiefpaß 6 auf den Verstärker 7 geführt. Das verstärkte Gleichspannungssignal gelangt auf den Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 8. Der Leistungsverstärker 9 dient zur niederohmigen Auskopplung der Erregerspannung. Durch den Taster S1 kann die Schaltung zwangsweise „eingerastet" werden.The operation of the inventive arrangement can be explained with reference to the block diagram (Figure 1) as follows: The circuit for frequency tracking consists of the modules 1 to 9. The preamplifiers 1 and 2 provide in conjunction with the Begrenzerstufen 3 and 4, the level signals for the phase-sensitive Rectifier 5. The output voltage of the discriminator is passed through the low-pass filter 6 to the amplifier 7. The amplified DC voltage signal reaches the control input of the voltage-controlled oscillator (VCO) 8. The power amplifier 9 is used for low-impedance decoupling of the excitation voltage. By the button S1, the circuit can be forcibly "locked".

Die Messung der Änderung des Resonanzsiromes erfolgt durch die Baugruppen 10 bis 15. Die dem Resonanzstrom proportionale Spannung am Widerstand Rs wird verstärkt (10), gleichgerichtet (11) und auf den Summierverstärker 12 geführt. Die variable Spannungsquelle 13 dient zur Kompensation der Spannung URs im Eichzustand der Prüfsonde. Die Ausgangsspannung (Änderung gegenüber dem Eichzustand) wird analog (14) oder digital (15) angezeigt. Die Resonanzfrequenz kann direkt am spannungsgesteuerten Oszillator 8 gemessen werden. Mit der variabel ausgeführten Kapazität kann für die jeweilige Prüfspule die optimale Arbeitsfrequenz, d.h. das Gütemaximum auf die Mittenfrequenz des Generators 8 und damit auf die Mitte des „Fangbereiches" (ähnlich wie bei einer Phasenregelschleife) der Schaltungsanordnung eingestellt werden. An die erfindungsgemäße Anordnung zur magnetinduktiven zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nach der Resonanzmethode sind alle bekannten Prüfspulenformen vom Parametertyp (gekennzeichnet durch nur eine Wicklung) anschließbar. Kernmaterial, Windungszahl der Spule und die geometrische Form müssen so gewählt werden, daß für das Prüfproblem die Spule und die Kapazität im entsprechenden Frequenzbereich ein Gütemaximum aufweisen.The measurement of the change in the resonance is carried out by the assemblies 10 to 15. The voltage proportional to the resonance current across the resistor Rs is amplified (10), rectified (11) and fed to the summing amplifier 12. The variable voltage source 13 is used to compensate for the voltage URs in the calibration state of the test probe. The output voltage (change from the calibration state) is displayed analog (14) or digital (15). The resonance frequency can be measured directly at the voltage-controlled oscillator 8. With the variably designed capacitance, the optimum operating frequency for each test coil, i. The maximum quality can be set to the center frequency of the generator 8 and thus to the middle of the "capture range" (similar to a phase locked loop) of the circuit arrangement Core material, number of turns of the coil and the geometric shape must be selected so that the coil and the capacitance have a maximum in the corresponding frequency range for the test problem.

Die gesamte erfindungsgemäße Anordnung zur magnetinduktiven zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nach der Resonanzmethode ist mit integrierten Schaltkreisen der Standardserien aufgebaut, ausschließlich der Vorverstärker 1 und 2. Der Phasengang der Vorverstärker und der Begrenzerstufen 1 bis 4 beeinflußt und Funktionsweise der Schaltung nicht, solange er in beiden Kanälen gleich ist.The entire inventive arrangement for magnetinductive non-destructive material testing according to the resonance method is constructed with integrated circuits of the standard series, excluding the preamplifier 1 and 2. The phase response of the preamplifier and the Begrenzerstufen 1 to 4 affects and operation of the circuit not as long as it is the same in both channels ,

Die Prüfspule ist im Anwendungsfail der zerstörungsfreien Korrosionszustandsprüfung beschichteter Stahlteile (vgl. Wirtschaftspatent 230933) über ein abgeschirmtes Kabel an die Vorrichtung ansteckbar. Über die variable Spannungsquelle 13 wird beim Aufsetzen der Prüfsonde auf die blanke Metalloberfläche die Vorrichtung geeicht.The test coil can be attached to the device via a shielded cable in the application note of the non-destructive corrosion state test of coated steel parts (see commercial patent 230933). About the variable voltage source 13, the device is calibrated when placing the test probe on the bare metal surface.

Auf Grund der speziell gestalteten Prüfsonde (vgl. WP 230933) und bei der Arbeit in einem bestimmten Frequenzbereich zwischen 300 und 700 kHz wird erreicht, daß die Abhebung der Prüfsonde von den Wirkungen der Oberflächenkorrosion unterschieden werden kann.Due to the specially designed test probe (see WP 230933) and when working in a certain frequency range between 300 and 700 kHz, it is achieved that the separation of the test probe from the effects of surface corrosion can be distinguished.

Claims

Arrangement for magnetinductive non-destructive material testing according to the resonance method, in which the test coil is connected to a capacitor as a series resonant circuit and is fed from a low-resistance generator and the Rosonanzstrom is measured via a series resistor by variable amplification with subsequent rectification and compensation of the calibration voltage digital or analog in that a voltage-controlled oscillator (8) is arranged as the generator, the output of which, like the attack between resonant circuit capacitor (C) and series resistor (Rs), is connected to the inputs of a phase comparator (5), the output of which via a low-pass filter (6) the frequency control input of the voltage controlled oscillator (8) is connected.

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