DE19523519A1

DE19523519A1 - Sensor für die Wirbelstrom-Werkstoffprüfung

Info

Publication number: DE19523519A1
Application number: DE1995123519
Authority: DE
Inventors: Juergen Rohmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-06-30
Filing date: 1995-06-30
Publication date: 1997-01-02

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor für die Wirbelstrom-Werk stoffprüfung mit wenigstens einer Erregerspule und mit wenig stens einer Empfängerspule.

Für die Prüfung von Öl- oder Gaspipelines aus Stahl ist ein Rohrmolch bekannt, der durch den Druck des geförderten Öls oder Gases durch die Pipeline transportiert wird und eine Wir belstromprüfung der Rohrwand durchzuführen ermöglicht. Je nach Rohrgröße und gewünschter Ortsauflösung der Prüfung ist der Molch mit einigen zig bis einigen hundert Sensoren der eingangs genannten Art bestückt, die über die Länge und über den Umfang des Molchs versetzt angeordnet sind und im Multiplexbetrieb angesteuert werden.

Die Sensoren eines Rohrmolchs nach dem Stand der Technik haben je eine Erregerspule und eine Empfängerspule, die mit paral lelen Achsen nebeneinander angeordnet sind. Die Erregerspule wird mit kontinuierlicher Hochfrequenz oder gepulster Hochfre quenz von Rechteckwellenform gespeist und so der Rohrwand ein zeitlich veränderliches Magnetfeld aufgeprägt, durch das Wir belströme induziert werden. Letztere erzeugen ein magnetisches Gegenfeld, das eine Signalspannung in der Empfängerspule indu ziert. Die Empfängerspule liefert ein Ausgangssignal, das in Amplitude und Phase durch die Materialeigenschaften und mecha nische Struktur der Rohrwand beeinflußt ist. Bei kontinuierli cher Anregung werden üblicherweise Amplitude und Phase oder Realteil und Imaginärteil des demodulierten Ausgangssig nals an einem Oszilloskop o. ä. in kartesischen Koordinaten dargestellt, aufgezeichnet und ausgewertet (x-y-Darstellung). Im Sinn der Vergleichbarkeit der Signale werden bei Impulsan regung die Amplituden zu unterschiedlichen Abtastzeitpunkten in x-Richtung und y-Richtung dargestellt.

Bei den bekannten Sensoren mit paralleler Nebeneinanderordnung von Erregerspule und Empfängerspule ist das Ausgangssignal letzterer in seiner Aussagekraft begrenzt und einer automati schen Auswertung kaum zugänglich. Ein durch Abheben des Molchs von der Rohrwand erzeugtes Lift-off Signal erscheint an dem Oszilloskop als Schlaufe. Durch Überfahren von Rissen erzeugte Signale erscheinen als annähernde Ursprungsgerade (linearer Vektor), deren/dessen Richtung von der Orientierung des Risses zu der Ebene abhängt, die von den Achsen der Erregerspule und Empfängerspule aufgespannt wird. Desgleichen besteht eine Ab hängigkeit von der Bewegungsrichtung des Molchs. Überlagerte Lift-off und Rißsignale lassen sich daher nur schwer interpre tieren und nicht mit der gewünschten Genauigkeit von Signalen unterscheiden, die bei der Detektion von Kaltverformung oder Lochfraß entstehen. Die Lochdetektion, speziell Mikrolochdetek tion, ist nicht in dem gewünschten Maß empfindlich. Ein Sensor mit der bekannten Spulenkonfiguration leistet nach alledem kaum mehr als die Grobanzeige eines wie auch immer gearteten Fehlers.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor der eingangs genann ten Art zu schaffen, der bei verbesserter Nachweisempfindlich keit ein der jeweiligen Fehlerart eindeutig zuzuordnendes Aus gangssignal liefert, das in unaufwendiger Weise automatisch ausgewertet werden kann.

Bei dem diese Aufgabe lösenden Sensor sind Erregerspule und Empfängerspule koaxial angeordnet. Wenigstens eine Erregerspule ist von wenigstens einer Empfängerspule umschlossen oder umge kehrt.

Die gemeinsame Achse der koaxial angeordneten Spulen ist die Meßachse des Sensors.

Der erfindungsgemäße Sensor liefert der jeweiligen Fehlerart eindeutig zuzuordnende Ausgangssignale, die einer automatischen Auswertung zugänglich sind. So erscheint das Lift-off Signal an dem Oszilloskop als annähernde Ursprungsgerade (linearer Vektor). Rißsignale erscheinen ebenfalls als annähernde Ur sprungsgerade (linearer Vektor) mit einer festen Richtung, die nicht mit der des Lift-off Signals übereinstimmt und weder von der Orientierung des Risses, noch von der Bewegungsrichtung abhängt, mit der der Riß überfahren wird. Das macht die Rißer kennung sehr empfindlich. Im Interesse der einfachen Auswertung kann die Richtung des Rißsignals senkrecht zu der des Lift-off Signals eingestellt werden. Bei der Detektion von Materialver dichtung durch Kaltverformung entsteht ein Signal, das als annähernde Ursprungsgerade (linearer Vektor) mit zu der des Rißsignals entgegengesetzter Richtung erscheint. Bei der Detek tion eines Lochs entsteht ein Signal, das als annähernde Ur sprungsgerade (linearer Vektor) in einer Diagonale zwischen Lift-off Signal und Rißsignal erscheint. Eine Lochdetektion, insbesondere Mikrolochdetektion, ist so mit beträchtlich ver besserter Nachweisempfindlichkeit möglich.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensor lassen sich Nutzsignale sehr gut von Störsignalen unterscheiden, und es ist eine eindeutige Erfassung der jeweils vorliegenden Fehlerart gewährleistet. Die Signalauswertung kann weitestgehend automatisch erfolgen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist eine Erregerspule radial innen und wenigstens eine Empfängerspule radial außen angeordnet. Die umgekehrte Konfi guration mit einer radial außen angeordneten Erregerspule und einer radial innen angeordneten Empfängerspule ist auch mög lich, für die Magnetfeldgeometrie zur Wirbelstromerzeugung aber weniger günstig.

Besonders bevorzugt ist ein Sensor mit einer inneren Erreger spule und zwei axial hintereinanderliegenden äußeren Empfänger spulen. Dieser Aufbau eröffnet vielfältige Auswertungsmöglich keiten. Die Empfängerspulen können in Differenz geschaltet werden, um bestimmte Störeinflüsse zu kompensieren. Durch ad ditive Überlagerung der Empfängerspulensignale läßt sich die Meßgenauigkeit erhöhen. Im Zuge einer getrennten Auswertung der Empfängerspulensignale kann man ausnutzen, daß die eine Empfängerspule dem Prüfling näher liegt als die andere, und über den Gradienten der Signale zusätzliche Informationen über den Fehler gewinnen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die innere Spule einen Kern, insbesondere Topfkern aus einem Material hoher Permeabilität und geringer elektrischer Leitfähigkeit, insbe sondere Ferrit. Der Kern dient zur Fokussierung des zeitverän derlichen Magnetfelds.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der inneren und der/den äußeren Spule(n) in vorzugsweise koaxialer Anord nung ein Ring aus einem Material hoher elektrischer Leitfähig keit, insbesondere Kupfer, angeordnet. Der Ring dient zur Ab schirmung. Er verhindert ein direktes Übersprechen von der Erregerspule zu der/den Empfängerspule(n).

Bei einer bevorzugen Ausführungsform ist zwischen der inneren und der/den äußeren Spule(n) in vorzugsweiser koaxialer Anord nung ein Ring aus einem Material hoher Permeabilität und gerin ger elektrischer Leitfähigkeit, insbesondere Ferrit, angeord net. Der Ring dient als Flußkonzentrator für die Empfänger spule(n).

Ist zugleich ein Abschirmring und ein Flußkonzentratorring vorgesehen, so liegt der Abschirmring innen und der Flußkonzen tratorring der/den äußeren Empfängerspule(n) benachbart außen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat der Sensor einen den Spulen vorgeordneten Abstandshalter zum Prüfgegenstand, der aus elektrisch nicht oder höchstens schwach leitendem Ma terial besteht. Als Abstandshalter kommt beispielsweise ein Kunststoffplättchen in Betracht.

Ein CW-Betrieb des erfindungsgemäßen Sensors mit kontinuierli cher Wechselfrequenzanregung von vorzugsweise Sinuswellenform und ein Betrieb mit impulsförmiger Anregung von vorzugsweise Rechteck-, Dreieck- oder CS-Wellenform (Computed Signal Wellen form mit vorgegebenem Frequenzspektrum) sind gleichermaßen möglich. Die erwähnten Signalformen am Oszilloskop stellen sich im CW-Betrieb (Continuous Wave Betrieb) ein, sind aber nicht viel anders auch im gepulsten Betrieb zu beobachten.

Im gepulsten Betrieb ergibt sich ein höherer Nutzsignalpegel, da wegen geringerer mittlerer Belastung dem Sensor höhere Spitzenbelastungen zugemutet werden können. Auch ist eine Ver einfachung im Aufbau und eine Platzersparnis möglich. Deswei teren ist im gepulsten Betrieb der Energiebedarf geringer.

Der erfindungsgemäße Sensor hat eine bevorzugte Verwendung zur Prüfung von Prüfgegenständen aus ferromagnetischen Werk stoffen. Er kann speziell für einen Rohrmolch insbesondere zur Prüfung einer Öl- oder Gaspipeline zum Einsatz kommen. Ein solcher Rohrmolch muß im Aufbau kompakt und in der Energie versorgung autark sein. Es empfiehlt sich daher ein gepulster Betrieb des Sensors.

Wohlgemerkt ist die Verwendung des Sensors nicht auf einen Rohrmolch beschränkt. Der Sensor kann vielmehr auch in vielfäl tigen anderen Arbeitsfeldern der Wirbelstrom-Werkstoffprüfung zum Einsatz kommen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Schematisch gezeigt ist ein axialer Längsschnitt durch einen Sensor für die Wirbelstrom-Werkstoffprüfung.

Der Sensor 10 hat einen Topfkern 12 aus Ferrit. Der Topfkern 12 ist ein Kreiszylinder mit einer kreisringförmigen Ausnehmung 14 in seiner dem Prüfgegenstand 16 zugewandten Stirnseite 18. Die Ausnehmung 14 erstreckt sich koaxial um die Zylinderachse 20 des Topfkerns 12 herum. Ihr Querschnitt ist rechteckig. Die Ausnehmung 14 nimmt einen beträchtlichen Teil der Topfkern höhe ein.

In der Ausnehmung 14 ist eine Erregerspule 22 des Sensors 10 aufgenommen. Die Erregerspule 22 liegt koaxial um den zentralen Ferritkörper 24 des Topfkerns 12 herum. Sie schließt bündig mit der dem Prüfgegenstand 16 zugewandten Stirnseite 18 des Topfkerns 12 ab.

Außen um den Topfkern 12 herum ist in koaxialer Anordnung ein kreiszylindrischer Kupferring 26 angeordnet. Der Kupferring 26 schließt bündig mit der dem Prüfgegenstand 16 zugewandten Stirnseite 18 des Topfkerns 12 ab.

Außen um den Kupferring 26 herum ist in koaxialer Anordnung ein kreiszylindrischer Ferritring 28 angeordnet. Der Ferritring 28 schließt bündig mit der dem Prüfgegenstand 16 zugewandten Stirnseite 18 des Topfkerns 12 ab.

Um den Ferritring 18 liegen in koaxialer Anordnung zwei Emp fängerspulen 30, 32 des Sensors 10 herum. Die Empfängerspulen 30, 32 sind baugleich, und sie liegen axial hintereinander. Die dem Prüfgegenstand 16 benachbarte vordere Empfängerspule 30 schließt bündig mit der dem Prüfgegenstand 16 zugewandten Stirnseite 18 des Topfkerns 12 ab. Eine jede Empfängerspule 30, 32 ist für sich genommen axial kürzer als die Erregerspule 22. Zusammen nehmen die Empfängerspulen 30, 32 etwas mehr als die axiale Länge des Topfkerns 12 und etwas weniger als die axiale Länge des Kupferrings 26 ein. Der Ferritring 28 ent spricht in seiner axialen Länge etwa der der beiden Empfänger spulen 30, 32 zusammen.

Vor dem Topfkern 12, der Erregerspule 22, den Ringen 26, 28 und der vorderen Empfängerspule 30 ist an der dem Prüfgegenstand 16 zugewandten Stirnseite des Sensors 10 ein Plättchen 34 an gebracht, das als Abstandshalter und zum Verschleißschutz dient. Die Schutzplatte 34 ist vergleichsweise dünn und besteht aus Kunststoff.

Abgesehen von der nicht näher dargestellten elektrischen Kon taktierung der Spulen 22, 30, 32 ist der Aufbau des Sensors 10 rotationssymmetrisch zu einer in der Zeichenebene liegenden Mittelachse 20, die die Meßachse des Sensors 10 darstellt.

Ein mit der Erregerspule 22 erzeugtes zeitveränderliche Magnet feld wird mit dem Topfkern 12 fokussiert. Der Kupferring 26 dient zur Abschirmung zwischen der Erregerspule 22 und den Empfängerspulen 30, 32. Der Ferritring 28 dient als Flußkonzen trator für die Empfängerspulen 30, 32.

Bezugszeichenliste

10 Sensor
12 Topfkern
14 Ausnehmung
16 Prüfgegenstand
18 Stirnseite
20 Achse
22 Erregerspule
24 zentraler Ferritkörper
26 Kupferring
28 Ferritring
30 vordere Empfängerspule
32 hintere Empfängerspule
34 Plättchen

Claims

1. Sensor für die Wirbelstrom-Werkstoffprüfung mit wenigstens einer Erregerspule und mit wenigstens einer Empfängerspu le, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (22, 30, 32) koaxial angeordnet sind, wobei wenigstens eine Erreger spule (22) von wenigstens einer Empfängerspule (30, 32) um schlossen ist oder umgekehrt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erregerspule (22) radial innen und wenigstens eine Empfän gerspule (30, 32) radial außen angeordnet ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er eine innere Erregerspule (22) und zwei axial hin tereinanderliegende äußere Empfängerspulen (30, 32) hat.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die innere Spule (22) einen Kern, vorzugs weise Topfkern (12) aus einem Material hoher Permeabilität und geringer elektrischer Leitfähigkeit, insbesondere Ferrit, hat.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen der inneren (22) und der/den äuße ren Spule(n) (30, 32) in vorzugsweise koaxialer Anordnung ein Ring (26) aus einem Material hoher elektrischer Leit fähigkeit, insbesondere Kupfer, angeordnet ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen der inneren (22) und der/den äuße ren Spule(n) (30, 32) in vorzugsweise koaxialer Anordnung ein Ring (28) aus einem Material hoher Permeabilität und geringer elektrischer Leitfähigkeit, insbesondere Ferrit, angeordnet ist.

7. Sensor nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (26) aus dem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit innen und der Ring (28) aus dem Material hoher Permeabilität außen angeordnet ist.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß er einen den Spulen (22, 30, 32) vorgeord neten Abstandshalter (34) zum Prüfling hat, der aus elek trisch nicht oder höchstens schwach leitendem Material besteht.

9. Verfahren zum Betrieb eines Sensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit kontinuierlicher Wechselfrequenzan regung von vorzugsweise Sinuswellenform.

10. Verfahren zum Betrieb eines Sensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit impulsförmiger Anregung von vorzugs weise Rechteck-, Dreieck- oder CS-Wellenform.

11. Verwendung eines Sensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Prüfung eines Prüfgegenstands (16) aus ferro magnetischem Werkstoff.

12. Verwendung eines vorzugsweise mit impulsförmiger Anregung betriebenen Sensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 für einen Rohrmolch insbesondere zur Prüfung einer Öl- oder Gaspipeline.