DE4002100A1 - Elektrodynamischer wandlerkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrodynamischen Wandler­ kopf zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken mittels Ultraschall mit einem Magneten wie Elektromagneten mit zumindest zwei Polschuhen, von denen zumindest einem eine eine Erreger- und Empfangsspule umfassende Sonde zugeordnet ist, die werk­ stückseitig mit einer Schutzplatte abgedeckt ist, wobei der Wand­ lerkopf werkstückseitig eine lösbare Abdeckung wie Kappe auf­ weist, die von sich gegebenenfalls auf dem Werkstück abstützen­ den Gleitsteinen durchsetzt ist.

Ein entsprechender Wandlerkopf ist der EP-A 01 68 011 zu ent­ nehmen. Einen ähnlichen Aufbau zeigt auch der der DE-C 34 01 072 zu entnehmende Wandlerkopf. Die bekannten Wandlerköpfe weisen jeweils eine einzige Sonde auf, so daß es zur Erzielung einer hohen Meßdichte apparativ recht aufwendig ist, mehrere Sonden und damit Wandler nebeneinander anzuordnen. Infolgedes­ sen sind hohe Vorschubgeschwindigkeiten von zu überprüfenden Rohren im häufig gewünschten Umfang nicht erzielbar.

Auch wenn bei den bekannten Meßköpfen die Sonde selbst durch die über diese vorstehende Gleitsteine geschützt ist, ist von Zeit zu Zeit ein Auswechseln bzw. ein Überprüfen der Sonde erforderlich. Dies ist aufwendig, da die Sonden in den Wandler­ köpfen fest installiert sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Werkstücke, die mit hoher Vorschubgeschwindigkeit transportiert werden, im hinrei­ chenden Umfang zu prüfen, wobei der apparative Aufwand in bezug auf die Anzahl der im gewünschten Umfang zu verwenden­ den Sonden optimiert werden soll. Auch soll die Möglichkeit geschaffen werden, den Wandlerkopf an die erforderlichen Gege­ benheiten anpassen zu können, ohne daß der Grundaufbau selbst wesentlich verändert wird. Ferner soll eine einfache Überprüfung und gegebenenfalls ein Austausch einer oder mehrerer Sonden möglich sein. Schließlich soll sichergestellt sein, daß die die Sonde abdeckende Schutzplatte auch bei stoßartigen Belastungen nicht notwendigerweise beschädigt bzw. zerstört wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß der Wandlerkopf zumindest zwei lösbar angeordnete Sonden umfaßt, die von einer gemeinsamen Schutzplatte abgedeckt sind. Erfindungsgemäß wird folglich ein elektrodynamischer Wand­ lerkopf vorgeschlagen, der mehrkanalig ausgebildet ist, um eine zerstörungsfreie Prüfung von Werkstücken mittels Ultraschall zu ermöglichen. Die einzelnen Sonden - auch Schwinger genannt - sind dabei entlang einer Linie aneinandergereiht in dem Wandler­ kopf angeordnet, liegen also dicht an dicht, wobei vorzugsweise eine maximale Bestückung von acht Sonden erfolgt, die eine Gesamtlänge von ca. 80 mm ausmachen.

Durch den erfindungsgemäßen elektrodynamischen Wandlerkopf ist in Abhängigkeit von Wanddicke und Spulengestaltung eine 100%ige Prüfung der Wanddicke von z. B. Rohren mit großer Vorschubge­ schwindigkeit möglich. Auch ist trotz Amplitudeneinbruch zwi­ schen den Sonden eine 100%ige Dopplungsprüfung mit z. B. einem 8 mm Kreisscheibenreflektor (Flachbodensack-Lochbohrung) als Bezugfehler möglich. Die einzelnen Sonden oder Schwinger werden dabei multiplex betrieben, so daß sich die Signale der einzelnen Sonden nicht störend überlagern.

Jede Sonde bzw. jeder Schwinger umfaßt einen Magnetfeldkon­ zentrator, wobei auf der dem Werkstück zugewandten Fläche des Magnetfeldkonzentrators die Spulen angeordnet sind. Diese Einheit wird vorzugsweise über Steckverbindungen mit dem Wandlerkopf verbunden, so daß sich hierdurch eine problemlose Bestückbarkeit mit der gewünschten Anzahl von Sonden bzw. eine Austauschbar­ keit dieser ergibt.

Die Magnetfeldkonzentratoren, die aus einem Material geringen magnetischen Widerstands wie z. B. Siliziumeisen bestehen, weisen einen rechteckförmigen Querschnitt auf, der auf eine Trägerplatte geschraubt ist. Der Magnetfeldkonzentrator wird von den An­ schlußdrähten für die Sender- und Empfangsspule durchsetzt, wobei die gesamte Einheit erwähntermaßen über vorzugsweise Steckverbindungen mit dem Wandlerkopf verbunden ist.

Die Sende- und Empfangsspulen selbst sind übereinanderliegend angeordnet, wobei die Sendespule direkt auf dem Magnetfeldkon­ zentrator aufliegt. Die Form von Sende- und Empfangsspule kann als pfannkuchenförmig, also als scheibenförmig ausgebildet be­ zeichnet werden, wobei die Empfangsspule aus Widerstandsdraht und die Sendespule aus Cu-Draht mit mehreren parallel zueinan­ der verlaufenden Drähten besteht. Sende- und Empfangsspule sind dabei in einer verschleißfesten Vergußmasse eingegossen, wobei die dem Werkstück zugewandte Seite plan überschliffen ist.

Die erwähntermaßen entlang einer Geraden angeordneten Sensoren oder Schwinger sind gegenüber dem Werkstück mittels Keramik­ gleitsteinen derart geschützt, daß trotz dichten Führens entlang der Werkstückoberfläche ein unmittelbares Berühren zwischen Werkstück und Schutzplatte ausgeschlossen ist. Hierzu ragen die Keramikgleitsteine über der den Wandlerkopf abschließenden Abdeckung wie Kappe vor, wobei vorzugsweise jeweils zwei Kera­ mikgleitsteine an je einem Ende der Geraden, auf der die Sen­ soren angeordnet sind, liegen.

Die Keramikgleitsteine zeigen einen geringen Verschleiß, so daß der gesamte Wandlerkopf eine hohe Standzeit besitzt. Die hohe mechanische Festigkeit der Keramikgleitsteine ermöglicht ein pro­ blemloses automatisches Zustellen des Wandlerkopfes. Auch weisen die Keramikgleitsteine eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, so daß auch eine Prüfung bei höheren Werkstücktemperaturen möglich ist.

Die Keramikgleitsteine können in Richtung auf das zu überprüfen­ de Werkstück verstellt werden, um so einen Verschleiß auszuglei­ chen. Die Verstellbarkeit kann durch Zwischenstücke wie dünne Bleche erfolgen.

Um einen unzulässigen Verschleiß der Keramikgleitsteine zu erfas­ sen, ist zwischen jeweils zwei Keramikgleitsteinen ein Verschleiß­ schutzkontakt angeordnet, der im wesentlichen einen spiralförmig aufgewickelten Draht in einer verschleißfesten Vergußmasse umfaßt. Der Draht liegt dabei tiefer als die freie Oberfläche des Gleitsteines, jedoch höher als die freie Fläche der vorzugsweise aus Keramik bestehenden Schutzplatte. Der Draht bzw. die Drahtwendel ist an eine Stromquelle angeschlossen, so daß dann, wenn der Draht zerstört ist, also wenn die Keramikgleitsteine im unzulässigen Umfang verschlissen sind, der Stromkreis unterbro­ chen und damit ein Warnsignal ausgelöst wird.

Die sämtliche Sonden abdeckende Schutzplatte weist vorzugsweise eine Stärke zwischen 0,3 mm und 0,5 mm auf und besteht er­ wähntermaßen vorzugsweise aus Keramik. Die Schutzplatte ist austauschbar in dem Wandlerkopf angeordnet. Hierzu sind vor­ zugsweise Z-förmig ausgebildete und aus dünnem Blech bestehen­ de Niederhalter vorgesehen, die die Längsränder der Schutzplatte erfassen. Die Niederhalter sind wiederum von der Abdeckung oder Kappe des Wandlerkopfes gesichert. Zusätzlich befindet sich zwischen den Sonden und der Schutzplatte ein adhäsives Fluid wie Silikonfett, wodurch sich zum einen die Schwingungsdämpfung und zum anderen eine Dämpfung von stoßartigen Einwirkungen auf die Schutzplatte ergibt.

Die Magnetfeldzuführung erfolgt über bewegliche Polschuhe über die gesamte Länge der entlang einer Geraden angeordneten Sonden bzw. Schwinger. Hierdurch ist ein automatisches Aus­ setzen und Abheben bei feststehendem Magnetjoch möglich. Die Magnetisierung erfolgt vorzugsweise mittels eines Elektromagneten.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung erge­ ben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entneh­ menden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen elektrodynamischen Wandlerkopf,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Wandlerkopf nach Fig. 1, teilweise weggebrochen,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in Fig. 1 und

Fig. 5 eine auseinandergezogene Darstellung wesentlicher Elemente des Wandlerkopfs.

In Fig. 1 ist in Draufsicht ein elektrodynamischer Wandlerkopf (10) dargestellt, um in bekannter Weise mittels elektrodynamisch erzeugtem Ultraschall ein Werkstück wie z. B. Rohr zerstörungs­ frei zu prüfen. Das hierzu erforderliche Magnetfeld wird mittels eines nicht dargestellten Elektromagneten erzeugt, wobei der Wandlerkopf (10) mit einem beweglichen Polschuh des Magneten verbunden ist.

Der Wandlerkopf (10) umfaßt eine Träger- oder Basisplatte (12), die mit dem Polschuh über nicht näher bezeichnete Verbindungs­ elemente wie Schrauben verbunden ist.

Auf der Basisplatte (12) sind Sonden aneinanderreihbar, also entlang einer Linie angeordnet, wobei drei Sonden beispielhaft mit den Bezugszeichen (14), (16), (18) versehen sind. Jede Sonde bzw. jeder Schwinger (14), (16) und (18) umfaßt eine z. B. aus Kupferdraht bestehende Sendespule (20) und eine Empfangsspule (22), die über Steckkontakte (24), (26), (28) mit nicht näher bezeichneten elektrischen Anschlüssen verbindbar sind, um die Spulen zu erregen bzw. von diesen empfangene Signale weiterzu­ leiten.

Die Sendespule (20), die aus Cu-Draht bestehen kann, ist unmit­ telbar auf einem Magnetfeldkonzentrator (32) angeordnet, dessen Umriß in Fig. 3 durch eine verstärkte Linie angedeutet ist. Der Magnetfeldkonzentrator (32), der aus Material geringen magne­ tischen Widerstandes besteht, weist trapezförmige Seitenflächen auf, die der Fig. 3 zu entnehmen sind. In der Schnittdarstellung weist der Magnetfeldkonzentrator (32) eine Rechteckform auf. Es ergibt sich also eine Art Pyramidenform mit zwei gegenüberliegen­ den parallel zueinander verlaufenden Flächen.

Die Empfangsspule (22), die aus Widerstandsdraht besteht, ist werkstückseitig, also über der Sendespule (20) angeordnet. Sende- und Empfangsspule (20) bzw. (22) sind in einer ver­ schleißfesten Vergußmasse (30) eingebettet, wobei die dem Werk­ stück zugewandte Fläche plan überschliffen ist.

Die Vergußmasse (30) wird von einer Keramikschutzscheibe (34) abgedeckt, die über sich in Längsrichtung verlaufende Z-förmige Halterungen (36), (38) gesichert sind. Diese wiederum sind von einer Abdeckung oder Kappe (40) gehalten, die mit der Basis­ platte (12) verschraubt ist.

Die Keramikschutzplatte (34) erstreckt sich vorzugsweise über sämtliche aneinandergereihte Sonden bzw. Schwinger (14), (16), (18), bildet also eine Einheit. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, daß die Schutzplatte (34) in Teilabschnitte unterteilt ist.

Die Keramikschutzplatte (34) weist eine Dicke zwischen 0,3 und 0,5 mm auf und ist abrieb- und schlagfest. Zwischen der Sonden­ oberfläche, also der plan geschliffenen Vergußmasse (30) und der Keramikschutzplatte (34) befindet sich zusätzlich eine adhäsive Zwischenschicht, wie z. B. Silikonschicht, wodurch zum einen die Keramikplatte (34) zusätzlich gehalten wird und zum anderen stoßartige Einwirkungen auf diese gedämpft werden.

Da die Sonden bzw. Schwinger (14), (16), (18) erwähntermaßen durch Steckverbindungen (28) mit dem Wandlerkopf (10) verbun­ den sind, kann dieser mit der gewünschten Anzahl von Schwin­ gern bestückt werden, also problemlos auf den jeweiligen Einsatz­ zweck ausgerichtet werden. Nicht ausgefüllte Bereiche können durch Blindstücke ausgefüllt werden. Dies gilt auch für die Endbereiche, die im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 mit einem Endstein (36) ausgefüllt sind, der gleichfalls aus einem Material mit geringem magnetischem Widerstand besteht.

Im Bereich der Stirnenden des die Sonden (14), (16), (18) auf­ weisenden Lineals wird die Abdeckung bzw. Kappe (40) von Gleitsteinen (44), (46), (48) und (50) durchsetzt. Die Gleitsteine (44), (46) und (48) bestehen aus Keramik und weisen eine hohe mechanische Festigkeit auf. Hierdurch erfährt der Wandlerkopf (10) eine hohe Standzeit, da die mit der Werkstückoberfläche wechselwirkenden Gleitsteine (44), (46), (48) und (50) nur einen geringen Verschleiß zeigen. Die Gleitsteine (44), (46), (48) und (50) zeichnen sich des weiteren durch eine geringe Wärmeleit­ fähigkeit aus, so daß mit dem erfindungsgemäßen Wandlerkopf (10) auch Prüfungen bei höheren Werkstücktemperaturen durch­ führbar sind.

Die Gleitsteine (44), (46), (48), (50) können mittels Zwischen­ stücke (52), (54), die aus dünnen Blechen bestehen können, in der Höhe eingestellt werden. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit des Nachstellens bei einem Verschleiß.

Ein unzulässiger Verschleiß kann des weiteren durch zwischen den Gleitsteinen (44) und (46) bzw. (48) und (50) angeordnete Verschleißschutzkontakte (56), (58) festgestellt werden. Wie die Fig. 4 verdeutlicht, ist jeder Verschleißschutzkontakt (56) mittels Steckverbindung mit der Basisplatte (12) verbunden. Der Ver­ schleißschutzkontakt (56) weist einen spiral- oder wendelförmig angeordneten Draht (58) auf, der in einer Vergußmasse (60) eingebettet ist. Dabei liegt die obere Fläche des Drahtes (58) niedriger als die freie Fläche der Gleitsteine (44), (46) bzw. (48), (50). Werden nun die Gleitsteine (44), (46) bzw. (48), (50) in unzulässigem Umfang verschlissen, so wird bei einem weiteren Abrieb der Draht (58) zerstört. Hierdurch kann wiederum ein Alarm ausgelöst werden, nämlich dann, wenn der Draht (58) in einem Stromkreis angeordnet ist.

Zu den Magnetfeldkonzentratoren (32) ist noch zu bemerken, daß durch diese die Anschlüsse für die Sende- und Empfangsspule (20) bzw. (22) geführt werden. Dies ist der Fig. 3 zu entneh­ men. Der Konzentrator (32) besteht vorzugsweise aus Silizium-Ei­ sen zur Wirbelstromdämpfung und zur Verhinderung von Schall im Polschuh und zur Dämpfung der Spulen (kurzer Impuls zur Wanddickenmessung). Weiterhin können die Konzentratoren (32) zur Erzielung der gleichen Effekte geschlitzt werden.

Der Wandlerkopf (10) ist vorzugsweise mit einem beweglichen Polschuh verbunden, wodurch ein automatisches Aufsetzen und Abheben bei feststehendem Magnetjoch möglich wird. Das Magnet­ feld selbst wird vorzugsweise mit einem Elektromagneten erzeugt.

Die wesentlichen Bestandteile einer Sonde mit Magnet­ feldkonzentrator (32), Sende- und Empfangsspule (20) und (22), die diese aufnehmende Vergußmasse (30), der Keramikschutz­ scheibe (34), den diese haltenden Z-förmigen Halterungen (36) und (38) sowie der Abdeckung (40) sind noch einmal in auseinan­ dergezogener Darstellung in Fig. 5 wiedergegeben.

Claims (11)

1. Elektrodynamischer Wandlerkopf zur zerstörungsfreien Prü­ fung von Werkstücken mittels Ultraschall mit einem Magneten wie Elektromagneten mit Polschuhen, von denen zumindest einem eine eine Erreger- und Empfangsspule umfassende Sonde zugeordnet ist, die werkstückseitig mit einer Schutz­ platte abgedeckt ist, wobei der Wandlerkopf werkstückseitig eine lösbare Abdeckung wie Kappe aufweist, die von sich gegebenenfalls auf dem Werkstück abstützenden Gleitsteinen durchsetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerkopf (10) zumindest zwei lösbar angeordnete Sonden (14, 16, 18) umfaßt, die von einer gemeinsamen Schutzplatte (34) abgedeckt sind.

2. Wandlerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden (14, 16, 18) aneinandergereiht in dem Wand­ lerkopf (10) angeordnet und identisch aufgebaut sind.

3. Wandlerkopf nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sonde (14, 16, 18) einen Magnetfeldkonzentrator (32) umfaßt, der mit der Sonde als Einheit vorzugsweise über Steckverbindungen in dem elektrodynamischen Wandler­ kopf (10) befestigt ist.

4. Wandlerkopf nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden (14, 16, 18) entlang einer Geraden angeord­ net sind, daß an den jeweiligen Stirnenden der Geraden zumindest zwei zueinander beabstandete, über die Kappen­ oberfläche zumindest abschnittsweise vorstehende Gleitsteine (44, 46, 48, 50) angeordnet sind und daß zwischen zwei Gleitsteinen (44, 46; 48, 50) ein Verschleißschutzelement (56, 58) verläuft.

5. Wandlerkopf nach zumindest Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitsteine (44, 46, 48, 50) durch Zwischenstücke (52, 54) wie dünne Bleche in Richtung des Werkstücks einstellbar ausgebildet sind.

6. Wandlerkopf nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzplatte (34) mittels Z-förmig gebogener Halte­ rungen (36, 38) gesichert ist, die ihrerseits von der Kappe (40) des Wandlerkopfes (10) gehalten sind.

7. Wandlerkopf nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der dem Werkstück zugewandten Sondenfläche und der Schutzplatte (34) ein adhäsives Fluid wie Silikonfett vorhanden ist.

8. Wandlerkopf nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfangsspule (20, 22) in einer ver­ schleißfesten Vergußmasse (30) eingegossen sind, die werk­ stückseitig plan abgeschliffen ist.

9. Wandlerkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfangsspule (20, 22) scheibenförmig übereinanderliegend angeordnet sind, wobei die Sendespule (20) unmittelbar auf dem Magnetfeldkonzentrator (32) ange­ ordnet ist.

10. Wandlerkopf nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldkonzentrator (32) einen rechteckförmigen Querschnitt mit parallel verlaufenden trapezförmigen Seiten­ flächen aufweist.

11. Wandlerkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldkonzentrator (32) aus Silizium-Eisen besteht und/oder geschlitzt ist.