DE3802073A1 - In umfangsrichtung kompensierende wirbelstromsonde mit abwechselnd polarisierten sende- und empfangswicklungen - Google Patents
In umfangsrichtung kompensierende wirbelstromsonde mit abwechselnd polarisierten sende- und empfangswicklungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die zerstörungsfreie Untersuchung
eines Rohres aus einem elektrisch leitfähigen Material, und
insbesondere eine in Umfangsrichtung kompensierte Wirbel
stromsonde mit mehreren Sende- und Empfangswicklungen, die
befähigt ist, in einem Rohr sowohl Umfangs- als auch
Axial-Risse, Abnutzungsverschleiß unter ferromagnetischen
und nicht ferromagnetischen Stützplatten, flache Innenfehler
usw. zu erfassen.
Das Wirbelstrom-Untersuchungsverfahren ist ein zerstörungs
freies Untersuchungsverfahren, das darauf beruht, elektri
sche Ströme in dem zu untersuchenden Material zu induzieren
und die Wechselwirkung zwischen diesen Strömen und dem Mate
rial zu beobachten. Wirbelströme werden durch elektromagneti
sche Wicklungen in der Untersuchungssonde erzeugt und gleich
zeitig durch Messen der elektrischen Impedanz der Sonde über
wacht. Da dies ein elektromagnetischer Induktionsvorgang
ist, ist kein direkter elektrischer Kontakt mit dem Untersu
chungsstück erforderlich, jedoch muß das Material des Unter
suchungsstückes elektrisch leitfähig sein.
Bei der Untersuchung auf Fehler ist es wichtig, daß die
Fließrichtung der Wirbelströme so weit wie möglich senkrecht
zu den Fehlern verläuft, um ein maximales Ansprechverhalten
zu erzielen. Falls Wirbelströme parallel zu einem Fehler
fließen, ergibt sich nur eine geringe Störung der Wirbelströ
me und damit nur geringe Änderung der Sonden-Impedanz.
Unterschiedliche Wirbelstromsonden sind zur Untersuchung von
zylindrischen oder rohrförmigen Bestandteilen bereits vorge
schlagen und/oder ausgeführt worden, wie aus den
US-PS 39 52 315, 40 79 312 und 40 83 002 ersichtlich.
Eine übliche interne Umfangssonde induziert einen Wirbel
stromfluß parallel zu den Spulenwicklungen und aus diesem
Grunde in Umfangsrichtung. Wie oben erwähnt, muß sich zur Er
fassung eines Fehlers die Wicklungsimpedanz ändern. Das ge
schieht nur dann, wenn der Wirbelstrom-Fließweg gestört ist.
Umfangsdefekte, die parallel zu dieser Fließrichtung liegen
und deshalb keine wesentliche Fläche senkrecht zu diesem Weg
einnehmen, werden aus diesem Grunde nicht erfaßt. Mehrfach
wicklungen bei einer Erregungswicklungsanordnung und bei
einer Empfangswicklungsanordnung werden in den
US-PS 32 41 058 und 32 71 662 beschrieben. Diese beiden Pa
tentschriften lehren eine Untersuchung von Blechen unter Be
nutzung einer ungeraden Anzahl von Sendewicklungen, deren
Achsen senkrecht zur Untersuchungsprobe stehen, und einer ge
raden Anzahl von Empfangswicklungen. Die Sendewicklungen
sind abwechselnd elektromagnetisch polarisiert, jedoch die
Empfangswicklungen in den gleichen Richtungen polarisiert,
so daß es ermöglicht wird, ohne Umfangs- oder Linien-Kompen
sation zu arbeiten (ein in diesen Patentschriften angestreb
tes Merkmal). Der Aufbau ist sehr kompliziert und sehr emp
findlich auf Sonden-Wobbeln. Sie erzeugen Ausgangssignale,
deren Analyse sehr kompliziert ist, und sind bei Untersu
chung zylindrischer Stücke nicht leicht anwendbar.
Die US-PS 34 44 459 beschreibt wendelförmige Untersuchungs
wicklungen, die gegen die Achse des zu untersuchenden Rohres
leicht schräggestellt sind. Die Wicklungen sind abwechselnd
polarisiert, müssen jedoch, um 100% Umfangsüberdeckung und
eine umgangsfähige Axsialsondenlänge zu erreichen, von läng
licher Form sein. Die Sendewicklung ist mindestens dreimal
so groß wie die Empfangs- oder Erfassungswicklungsanordnung.
Die Sonde ist für Risse in Umfangsrichtung unempfindlich.
Es ist ein anerkanntes Problem, daß eine zuverlässige Erfas
sung und Größenbestimmung von Umfangsrissen, Verschleißstel
len, flachen inneren Fehlern usw. durch die Tatsache er
schwert wird, daß sie häufig in fehlerträchtigen Bereichen
wie unter Rohrmänteln oder Stützplatten auftreten, und in
Übergangsbereichen von gerippten Rohren. Wärmetauscher und
Dampf-Erzeuger werden normalerweise aus Rohren zusammenge
baut, die in die Rohrhülle eingewalzt und dann an der
Primär-Rohrhüllenfläche eingeschweißt sind. Das Walzen wird
in erster Linie ausgeführt, um korrosionsträchtige Spalte zu
beseitigen. Wenn jedoch Rohre über die Sekundärfläche der
Rohrhülle hinaus gewalzt werden, besteht große Rissgefahr.
Die vorliegende Erfindung macht von Mehrfachwicklungen Ge
brauch, die im Sende/Empfangs-Betrieb betrieben werden, um
alle lokalisierten Fehler zu erfassen, einschließlich Um
fangsrisse in einem Rohr. Die erfindungsgemäßen Sonden erfas
sen intern oder extern Fehler einschließlich von Fehlern
unter Stützplatten. Mit einer Vielzahl von Wicklungsausbil
dungen ist eine 100%-ige Umfangsdeckung bei einem Durchlauf
möglich mit hoher Fehlerempfindlichkeit in der Übergangszone
zwischen gedehnten und ungedehnten Verrohrungen.
Es ist damit ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Wir
belstromsonde zu schaffen, die ein in Umfangsrichtung kompen
siertes Ausgangssignal erzeugt. Damit wird beabsichtigt,
eine Wirbelstromsonde zu erhalten, die Fehler (ob in Umfangs
richtung oder nicht) in einem Rohr unter einem Rohrmantel
oder einer Rohrstütze erfassen kann, und es wird weiter eine
Sonde angestrebt, deren Ausgangssignale ähnlich leicht zu
analysieren sind, wie die Ausgangssignale üblicher Sonden.
Eine in Umfangsrichtung kompensierende Wirbelstromsonde er
findungsgemäßer Art enthält ein erstes Paar von Wicklungs
anordnungen, die erste und die zweite Anordnung, wobei die
erste Wicklungsanordnung eine gerade Anzahl von im wesentli
chen identischen ersten Wicklungen besitzt, die benachbart
zu einem zu untersuchendem Rohr und symmetrisch um eine und
in einer ersten Ebene senkrecht zur Zentralachse des Rohres
anzuordnen sind, wobei die ersten Wicklungen Achsen besit
zen, die einen Winkel R 1 mit der Mittelachse bilden und elek
tromagnetisch abwechselnd zwischen zwei entgegengesetzten
Richtungen längs ihren Achsen orientiert sind. Die zweite
Wicklungsanordnung besitzt die gleiche gerade Anzahl von im
wesentlichen identischen zweiten Wicklungen, die benachbart
zu dem zu untersuchendem Rohr und symmetrisch um eine und in
einer zweiten Ebene senkrecht zur Zentralachse anzuordnen
sind, wobei die zweiten Wicklungen Achsen besitzen, die
einen Winkel R 2 mit der Zentralachse bilden und abwechselnd
zwischen zwei einander entgegengesetzten Richtungen längs
ihren Achsen elektromagnetisch ausgerichtet sind. Die genann
ten ersten und zweiten Wicklungsanordnungen sind in Winkel
richtung gegeneinander um die genannte Zentralachse ver
setzt, um jede Wicklung in einer Wicklungsanordnung in der
Mitte zwischen zwei benachbarten Spulen der anderen
Wicklungsanordnung zu positionieren. Bei Beaufschlagung er
zeugt die eine Spulenanordnung Magnetfelder in dem Rohr
in den beiden entgegengesetzt liegenden Richtungen der
Wicklungen, und die andere Wicklungsanordnung erfaßt Störun
gen der Magnetfelder und erzeugt ein in Umfangsrichtung kom
pensiertes Ausgangssignal, das im wesentlichen das Vorhan
densein örtlicher Fehlstellen im Rohr anzeigt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei
spielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:
Fig. 1a und 1b perspektivische Darstellungen der beiden be
kannten für Umfangsrisse brauchbaren Vor
richtungen, die jedoch keine Umfangskompen
sation besitzen,
Fig. 2a, 2b und
2c die Wicklungsgestaltung und elektrische Ver
schaltung der Wicklungen für eine Ausfüh
rung der Erfindung,
Fig. 3a, 3b verallgemeinerte Draufsichtdarstellungen
einer erfindungsgemäßen Sonde mit Symbolen
für verschiedene Parameter,
Fig. 4 eine Nachbildung eines Dampfgenerator-Rohr
aufbaus, der zur Untersuchung der erfin
dungsgemäßen Sonden benutzt wurde,
Fig. 5 bei einer Untersuchung des Aufbaus nach
Fig. 4 erhaltene Ausgangssignale,
Fig. 6, 7 und 8 vereinfachte Schnittbilder bevorzugter Aus
führungen der vorliegenden Erfindung,
Fig. 9 und 10 vereinfachte Darstellungen von Wicklungsge
staltungen von zwei Reihen von Wicklungs
anordnungen entsprechend zwei Ausführungen
der vorliegenden Erfindung zur vollständi
gen Umfangsüberdeckung und
Fig. 11 eine vereinfachte Darstellung, die bei der
Beschreibung des Betriebs einer erfindungs
gemäßen Sonde nützlich ist.
Um in Umfangsrichtung verlaufende Fehler zu erfassen, müssen
die Wicklungen Ströme induzieren, die mit einem gewissen
Winkel zu den vermuteten Fehlern verlaufen. Fig. 1a und
1b zeigen zwei mögliche Arten von Rohrsonden. Keine von
beiden besitzt separate Erregungs- und Empfangswicklungs
anordnungen. Die Sonde nach Fig. 1a induziert Ströme mit
kreisförmiger Verteilung, während die Sonde nach Fig. 1b
Ströme induziert, die dem Wicklungswinkel von 30° folgen.
Beide Sonden sind Differentialsonden, d. h. die Wicklungen
sind so elektrisch geschaltet, daß sie Differentialsignale
zur Auswertung durch eine Wechselstrombrücke erzeugen. Wäh
rend Flachspulen-Flächensonden (einfach oder mehrfach) eine
gute Empfindlichkeit für Oberflächenrisse besitzen, zeigen
sie eine geringe Empfindlichkeit für externe Defekte, großes
Abhebe-Rauschen, teilweise Umfangsüberdeckung und ergeben
komplizierte Signale. Zusätzlich bildet die komplizierte me
chanische Auslegung, die zur Verringerung des Abheberau
schens erforderlich ist, eine Gefahr, daß die Sonde versagt.
Zum Erfassen von Rissen unter Rohrmänteln und in Übergangsbe
reichen von verrippten Rohren usw. sind Verfahren mit Wirbel
strömen mit Doppel- oder Mehrfachfrequenz bekannt. Hohe Un
tersuchungsfrequenzen sind sehr empfindlich für Rohrdehnung,
niedrige Untersuchungsfrequenzen sind sehr empfindlich für
Rohrmäntel und Stützplatten, während dazwischenliegende Fre
quenzen sehr empfindlich für Defekte, Stützplatten und Deh
nungen sind. Eine entsprechende Mischung dieser Mehrfre
quenz-Signale ergibt in erster Linie eine Empfindlichkeit
für Fehler.
Rohrmantel-Kompensationssonden werden so ausgelegt, daß sie
die Wirbelstromuntersuchung vereinfachen. Fehler, die dicht
bei oder unter einem Rohrmantel oder einer Stützplatte
liegen, können ohne Benutzung von Mehrfachfrequenz-Kompensie
rung (Signalmischung) oder kleinen Flächensonden erfaßt
werden. Diese Sonden, die mit üblichen Sende/Empfangs-Wirbel
strominstrumenten arbeiten, besitzen eine eingebaute Um
fangskompensation, so daß Stützplatten, Rohrmäntel und ge
dehnte Abschnitte virtuell unsichtbar sind. Eine vollständi
ge Rohrüberprüfung ergibt nur Signale von Fehlern. Sie
können benutzt werden, um Spannungskorrosionsrisse, kurze Um
fangsrisse und Grübchen zu erfassen, auch in Anwesenheit von
gleichförmigen Kupferabscheidungen, und zur Erfassung von
Verschleißstellen unter Stützplatten. Dampfgeneratorrohre
aus Inconel (Warenzeichen), Kondensorrohre aus Messing und
Kupfer sowie verrippte Klimaanlagen-Wärmetauscherrohre
können mit einem einzigen Durchlauf unter Benutzung eines
Einfrequenz-Sende/Empfangs-Wirbelstrominstrumentes unter
sucht werden.
Fig. 2a, 2b, 2c zeigen schematisch die Gestaltung, die
Anbringung und elektrische Verbindung von Wicklungen, die in
der ersten Wicklungsanordnung und der zweiten Wicklungsanord
nung einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung
benutzt werden. Die Wicklungen können scheibenförmige Elek
tromagnetwicklungen, sogenannte Flachspulenwicklungen (panca
ke coils) sein oder können, je nach der erforderlichen Aus
führung und den etwaigen Anforderungen, eine andere Form be
sitzen.
In der Zeichnung zeigt Fig. 2a eine Umfangswicklungsgestal
tung in ebener Abwicklung. Vier im wesentlichen identische
erste Wicklungen der Anordnung 1 sind in einer Reihe ge
zeigt, wobei ein Abstand von 90° in einem Kreis vorliegt.
Vier im wesentlichen identische zweite Wicklungen der zwei
ten Wicklungsanordnung 3 sind in Axsialrichtung mit einem
Abstand d 1 gegen die erste Wicklungsanordnung versetzt und
weiter um 45° so gedreht, daß sie in der Mitte zwischen zwei
benachbarten Erregungswicklungen liegen. Der Durchmesser der
Wicklung ist mit d₀ bezeichnet.
In Fig. 2c ist der Querschnitt des Sonden-Gehäuses mit 11
bezeichnet und vier erste Wicklungen sind in Umfangsrichtung
in der Querschnittsebene des Sondengehäuses angebracht mit
einer Achse, die im wesentlichen mit der Mittelachse 9 des
zu untersuchenden Rohres zusammenfällt. Obwohl in Fig. 2c
nicht dargestellt, sind vier zweite Wicklungen der zweiten
Wicklungsanordnung in gleicher Weise in einer Ebene ange
ordnet, die parallel zur Ebene der ersten Wicklungen liegt.
Die zweiten Wicklungen liegen in Umfangsrichtung in der
Mitte zwischen zwei benachbarten ersten Wicklungen, wie
Fig. 2a zeigt.
Fig. 2b zeigt die elektrische Verschaltung der Wicklungen
mit einer Wechselstrom-Leistungsquelle 5 und einem Instru
ment 7, das die in der zweiten Wicklungsanordnung 3 erzeugte
Spannung mißt.
In diesen und den folgenden Figuren zeigen die Zeichen + und
- die Polaritäten der Wicklungen an, wie sie entweder durch
den Windungssinn der Wicklung oder durch die elektrische Ver
bindung der Wicklungen miteinander erzeugt werden kann.
Statt der in Fig. 2b dargestellten Ausbildung, bei der die
Windungsrichtung benachbarter Wicklungen jeweils umgekehrt
ist, können die elektrischen Verbindungen gleichgerichteter
Wicklungen so hergestellt werden, daß die gleiche Wirkung er
zielt wird, wobei die Abfolgen der Wicklungsverbindungen er
halten bleibt. Es ist auch darauf hinzuweisen, daß nach dem
Gesetz der Austauschbarkeit die Sonde in gleicher Weise funk
tioniert, wenn eine Wechselstromquelle an die zweite
Wicklungsanordnung und das Spannungsmeßinstrument an die
erste Wicklungsanordnung angeschlossen werden.
Die ersten Wicklungen sind in einer ersten Ebene angeordnet,
die mit einer Querschnittsebene des Sondengehäuses nach Fig.
2b senkrecht zur Mittelachse des Rohres zusammenfällt. Wie
die ersten Wicklungen sind auch die zweiten Wicklungen in
einer zweiten Ebene senkrecht zur Mittelachse des Rohres an
geordnet. Typische Werte dieser Ausführung sind d₀
(Wicklungsdurchmesser)=5 mm, d₁ (Abstand der Wicklungs
anordnungen)=5 mm und Rohrdurchmesser 12,7 mm.
Der Abstand d 1 kann zur Optimierung des Verhaltens je nach
Materialart, Größe usw. des Rohres verändert werden. Bei be
stimmten Anwendungen kann der Abstand d 1 Null sein. Ein be
stimmtes leitfähiges Material, z. B. Kupfer, kann in den
Raum als teilweise Abschirmung eingesetzt werden, um die
Phase des Ausgangssignales zu verschieben. Eine Vielzahl von
Wicklungsgestaltungen sind möglich und werden in Bezug auf
die Fig. 3a und 3b allgemein erläutert.
In Fig. 3a ist eine Anordnung aus vier Wicklungen in einer
Wicklungsanordnung gezeigt. Es sind verschiedene Symbole ein
gesetzt, um bestimmte variable Parameter zu bezeichnen; bei
spielsweise ist d₁ der Abstand der beiden Wicklungsanordnun
gen voneinander, d. h. der Abstand der beiden senkrechten
Ebenen, d₀ der Wicklungsdurchmesser, γ der Winkelversatz der
beiden Wicklungsanordnungen gegeneinander und t die Dicke
einer Teilabschirmung 13. Fig. 3b zeigt eine erste Wick
lung und eine zweite Wicklung relativ zur Zentralachse 9
mit gegenseitigem Abstand d 1. In der Figur sind die Winkel,
die die Achsen der ersten bzw. der zweiten Wicklung mit der
Zentralachse bilden, jeweils mit R 1 bzw. R 2 bezeichnet.
Diese Parameter d₀, d₁, γ, t, R 1 und R 2 sind variabel und
können zur Optimierung des Verhaltens je nach Anforderung
ausgesucht werden. Die Anzahl der Wicklungen in einer Wick
lungsanordnung kann ebenfalls verändert werden, solange die
Gesamtzahl geradzahlig bleibt, wobei diese Anzahl den Winkel
versatz γ bestimmt.
Bei den jeweiligen Wicklungsanzahlen 2 (γ=90°), 4 (γ=
45°), 6 (γ=30°) usw. sind die folgende Wicklungskonfigura
tionen möglich:
1)R₁ ist abwechselnd 90°, 270°;
R₂ ist abwechselnd 90°, 270°;
d₁=0. 2)R₁ ist abwechselnd 90°, 270°;
R₂ ist abwechselnd 0°, 180;
d₁=0. 3)R₁ ist abwechselnd 0°, 180°;
R₂ ist abwechselnd 0°, 180°;
d₁=0. 4)R₁ ist abwechselnd 90°, 270;
R₂ ist abwechselnd 90°, 270°;
d₁≧d₀. 5)R₁ ist abwechselnd 90°, 270°;
R₂ ist abwechselnd 0°, 180°
d₁≧d₀. 6)R₁ ist abwechselnd 0°, 270°;
R₂ ist abwechselnd 0°, 180°;
d₁≧d₀. 7)R₁ ist abwechselnd 90°, 270°;
R₂ ist abwechselnd 90°, 270°;
d₁≧d₀+t, t ≈δ. 8)R₁ ist abwechselnd 90°, 270°;
R₂ ist abwechselnd 0°, 180°;
d₁≧d₀+t, t ≈δ. 9)R₁ ist abwechselnd 0°, 180°;
R₂ ist abwechselnd 0°, 180°;
d₁≧d₀+t, t ≈δ. 10)R₁ ist abwechselnd 90°, 270°;
R₂ ist abwechselnd 30°-60°, 210-240° (etwa);
d₁≧2d₀. 11)R₁ ist abwechselnd 0°, 180°;
R₂ ist abwechselnd 30°-60°, 210°-240° (etwa);
d₁≧2d₀.
R₂ ist abwechselnd 90°, 270°;
d₁=0. 2)R₁ ist abwechselnd 90°, 270°;
R₂ ist abwechselnd 0°, 180;
d₁=0. 3)R₁ ist abwechselnd 0°, 180°;
R₂ ist abwechselnd 0°, 180°;
d₁=0. 4)R₁ ist abwechselnd 90°, 270;
R₂ ist abwechselnd 90°, 270°;
d₁≧d₀. 5)R₁ ist abwechselnd 90°, 270°;
R₂ ist abwechselnd 0°, 180°
d₁≧d₀. 6)R₁ ist abwechselnd 0°, 270°;
R₂ ist abwechselnd 0°, 180°;
d₁≧d₀. 7)R₁ ist abwechselnd 90°, 270°;
R₂ ist abwechselnd 90°, 270°;
d₁≧d₀+t, t ≈δ. 8)R₁ ist abwechselnd 90°, 270°;
R₂ ist abwechselnd 0°, 180°;
d₁≧d₀+t, t ≈δ. 9)R₁ ist abwechselnd 0°, 180°;
R₂ ist abwechselnd 0°, 180°;
d₁≧d₀+t, t ≈δ. 10)R₁ ist abwechselnd 90°, 270°;
R₂ ist abwechselnd 30°-60°, 210-240° (etwa);
d₁≧2d₀. 11)R₁ ist abwechselnd 0°, 180°;
R₂ ist abwechselnd 30°-60°, 210°-240° (etwa);
d₁≧2d₀.
In der vorangehenden Aufstellung bedeutet γ die Stan
dard-Eindringtiefe, die durch die Untersuchungsfrequenz, die
elektrische Leitfähigkeit und die magnetische Permeabilität
der teilweisen Abschirmung bestimmt wird.
Wie leicht einzusehen ist, fällt die in Fig. 2a und 2b
gezeigte Ausgestaltung unter das Beispiel 4 mit der
Wicklungszahl 4.
Fig. 4 und 5 zeigen die Untersuchung an einer Dampfgenera
tor-Nachbildung mit verschiedenen Fehlerarten, und die mit
einer erfindungsgemäß aufgebauten Sonde daran erhaltenen Aus
gangssignale. In Fig. 4 besitzt das aus Inconnel (Warenzei
chen) gefertigte Rohr einen Durchmesser von 19 mm. Verschie
dene Fehler sind an den Stellen A, B, C und D vorhanden. Der
Rohrmantel 17 ist aus Kohlenstoffstahl und besitzt eine Be
deckung 19 aus Inconel.
Fig. 5 zeigt die Ausgangssignale in X-Y Impedanzverteilung
an den Stellen A, B, C und D. Das durch die Wand gehende
Durchgangsloch und die Außengrube mit 25% Tiefe und 5 mm
Durchmesser sind an dem Rohrmantel-Dehnungsübergang leicht
erfaßbar. Die unverzerrten Signale erlauben eine genaue
Größenbestimmung der Fehler. Die Signale von dem Kohlen
stoffstahl-Rohrmantel, von der Inconel-Überdeckung und der
Rohrmanteldehnung sind vernachlässigbar.
Um die Vorstellung gewisser Wicklungsgestaltungen, wie sie
oben aufgeführt sind, zu unterstützen, wird auf die Fig.
6, 7 und 8 verwiesen. In Fig. 6 ist eine Ausführung nach
der laufenden Nummer 1) so dargestellt, daß zwei Wicklungen
in jeder Wicklungsanordnung 1 bzw. 3 vorgesehen sind. R 1, R 2
wechseln mit 90° bzw. 270° ab. Die Wicklungsanordnungen
sind insoweit austauschbar, daß die erste Wicklungsanordnung
als Sende-Wicklungsanordnung und die zweite Wicklungsanord
nung als Empfangsanordnung benutzt werden kann, oder umge
kehrt, wobei die Ergebnisse gleichbleiben.
Fig. 7 zeigt eine Ausführung, bei der alle Wicklungen (die
ersten und die zweiten Wicklungen) axial ausgerichtet,
jedoch abwechselnd polarisiert sind, so daß R₁ und R₂ je
weils abwechselnd 0° bzw. 180° betragen. Eine Teilabschir
mung aus dünnem Kupferblech mit einer Stärke gleich δ ist
als Phasenschieber für das Ausgangs-Fehlersignal relativ zum
Sonden-Wobbelsignal vorgesehen. Wie bei Fig. 6 sind auch
hier die Wicklungsanordnungen als Sende- und Empfangsanord
nungen gegeneinander austauschbar.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführung, die der Anordnung 11)
entspricht. Bei dieser Ausführung wird die direkte Kopplung
der ersten (Sende-) mit der zweiten (Empfangs-) Wicklungs
anordnung minimal gehalten, jedoch die Empfindlichkeit für
externe Fehler maximiert. Bei der Ausführung wird weiter das
Sonden-Wobbelsignal klein gehalten und es werden örtliche
Fehlersignale so verzerrt, daß sie von dem Sondenwobbelrau
schen leichter unterscheidbar sind.
Wie leicht vorgestellt werden kann, können alle Wicklungsge
staltungen sowohl bei einer Innensonde als auch bei einer
Außensonde insoweit verwendet werden, als die Wicklungen bei
dem Rohr innerhalb oder außerhalb angeordnet werden können,
ohne irgendwelche Eigenschaften zu ändern.
Alle Wicklungsgestaltungen, die bisher besprochen wurden,
lassen gewisse Umfangsgebiete unerfaßt, d. h. kleine Gebie
te, die genau unter den Zentren der Wicklungen durchlaufen.
Eine 100%-ige Umfangsüberdeckung kann jedoch dadurch er
reicht werden, daß je eine zweite Reihe von Wicklungsanord
nungen identisch zur ersten Reihe, jedoch in Winkelrichtung
ein wenig dagegen verschoben, vorgesehen wird.
Aus diesem Grund ist bei allen oben aufgeführten Ausgestal
tungen die erste und die zweite Reihe von Wicklungsanordnun
gen in Axsialrichtung mit Abstand voneinander vorgesehen,
und in Winkelrichtung jeweils um 1/2γ verdreht (wobei γ
die Winkelversetzung zwischen den ersten und zweiten Wicklun
gen jeder Reihe ist).
Fig. 9 und 10 zeigen beispielhaft zwei derartige Gestal
tungen als Ausführungsbeispiele.
Anhand der Fig. 11 wird der Betrieb einer erfindungsgemäßen
Sonde kurz erklärt. Als Ausführungsbeispiel ist die Ausfüh
rung nach Fig. 3a angenommen. Alle anderen Ausführungen
können in ähnlicher Weise analysiert werden. In Fig. 11
sind zwei Sendewicklungen und eine Empfangswicklung durchge
zogen dargestellt. Die mit abwechselnden Polaritäten
Nord/Süd bzw. Süd/Nord geschalteten Sendewicklungen ergeben:
ein Magnetfeld, das von einer Spule zur anderen etwas ausbaucht und Wirbelstrom unter und zwischen den Wicklungen induziert,
einen an inneren und äußeren Rohrflächen ziemlich gleichmäßigen Magnetfluß und
das Fließen von Magnetfeld-induzierten Wirbelströmen mit einem Winkel zur Rohrachse in dem bezeichneten Bereich maximaler Empfindlichkeit. Dadurch wird die Erfassung von axialen und von in Umfangsrichtung verlaufenden Rissen möglich.
ein Magnetfeld, das von einer Spule zur anderen etwas ausbaucht und Wirbelstrom unter und zwischen den Wicklungen induziert,
einen an inneren und äußeren Rohrflächen ziemlich gleichmäßigen Magnetfluß und
das Fließen von Magnetfeld-induzierten Wirbelströmen mit einem Winkel zur Rohrachse in dem bezeichneten Bereich maximaler Empfindlichkeit. Dadurch wird die Erfassung von axialen und von in Umfangsrichtung verlaufenden Rissen möglich.
Die Empfangswicklungen, die abwechselnd mit N/S und S/N Pola
ritäten versehen sind, ergeben:
Bereiche mit hoher Fehlerempfindlichkeit zwischen den Sende- und Empfangswicklungen,
abwechselnde positive und negative Empfindlichkeit jeweils benachbarter Bereiche; bei vier Sendewicklun gen und vier Empfangswicklungen sind vier positive und vier negative Fehlerempfindlichkeitsbereiche vorhanden,
wobei diese abwechselnden Fehlerempfindlichkeiten längs des Rohrumfanges einen Ausgleich von Signalen ergeben, die von symmetrischen (konzentrischen) Ände rungen, wie Stützplatten, Rohrmantel und Dehnungsbe reichen stammen; Ausgangssignale werden nur von ört lichen Fehlern erzeugt,
das sich ergebende Signal eines örtlichen Fehlers ist gleichartig wie bei üblichen Spulensonden, so daß die Signalanalyse erleichtert wird. Dadurch kann eine Größenfestlegung der Defekte auch bei Stützplat ten oder in Rohrdehnungsbereichen erfolgen.
Bereiche mit hoher Fehlerempfindlichkeit zwischen den Sende- und Empfangswicklungen,
abwechselnde positive und negative Empfindlichkeit jeweils benachbarter Bereiche; bei vier Sendewicklun gen und vier Empfangswicklungen sind vier positive und vier negative Fehlerempfindlichkeitsbereiche vorhanden,
wobei diese abwechselnden Fehlerempfindlichkeiten längs des Rohrumfanges einen Ausgleich von Signalen ergeben, die von symmetrischen (konzentrischen) Ände rungen, wie Stützplatten, Rohrmantel und Dehnungsbe reichen stammen; Ausgangssignale werden nur von ört lichen Fehlern erzeugt,
das sich ergebende Signal eines örtlichen Fehlers ist gleichartig wie bei üblichen Spulensonden, so daß die Signalanalyse erleichtert wird. Dadurch kann eine Größenfestlegung der Defekte auch bei Stützplat ten oder in Rohrdehnungsbereichen erfolgen.
Claims (12)
1. In Umfangsrichtung kompensierende Wirbelstromsonde zum Er
fassen örtlicher Fehlstellen in einem Rohr, das eine Zen
tralachse besitzt und aus einem elektrisch leitfähigem Ma
terial besteht, dadurch gekennzeichnet,
- - daß ein erstes Paar von Wicklungsanordnungen vorgesehen ist, nämlich die erste Wicklungsanordnung (1) und die zweite Wicklungsanordnung (3),
- - daß die erste Wicklungsanordnung aus einer geraden Anzahl im wesentlichen identischer erster Wicklungen be steht, die benachbart zu dem zu untersuchendem Rohr und symmetrisch um eine und in einer erster Ebene senkrecht zur Zentralachse (9) anzuordnen sind, wobei die ersten Wicklungen Achsen besitzen, die einen Winkel R 1 mit der Zentralachse bilden und abwechselnd elektromagnetisch entgegengesetzt längs ihrer Achsen ausgerichtet sind,
- - daß die zweite Wicklungsanordnung die gleiche gerade Anzahl von im wesentlichen identischen zweiten Wicklun gen besitzt, die benachbart zu dem zu untersuchendem Rohr und symmetrisch um und in einer zweiten Ebene sen krecht zur Zentralachse (9) anzuordnen sind, wobei die zweiten Wicklungen Achsen besitzen, die einen Winkel R 2 mit der Zentralachse (9) bilden und elektromagnetisch abwechselnd in zwei entgegengesetzten Richtungen längs ihrer Achsen orientiert sind, und
- - daß die erste Wicklungsanordnung und die zweite Wicklungsanordnung winkelmäßig um die Zentralachse (9) gegeneinander um den Winkel γ versetzt sind, so daß jede Wicklung der einen Wicklunganordnung in der Mitte zwischen zwei benachbarten Wicklungen der anderen Wicklungsanordnung liegt,
- - so daß bei Beaufschlagung eine der Wicklungsanordnungen Magnetfelder in dem Rohr in den zwei entgegengesetzten Richtungen der Wicklungen erzeugt und die andere Wicklungsanordnung Verzerrungen der Magnetfelder erfaßt und ein in Umfangsrichtung kompensiertes Ausgangssignal hervorruft, das im wesentlichen die Anwesenheit örtli cher Fehlstellen im Rohr anzeigt.
2. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Winkel R 1 und R 2 je
weils aus den Winkelgrößen 0° und 90° ausgewählt sind.
3. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Winkel R 1 unter 0°
und 90° ausgewählt ist und daß der Winkel R 2 ein Winkel
zwischen etwa 30° und 60° ist.
4. Wirbelstromsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die erste und die
zweite Ebene einen Axialabstand der Größe d1 voneinander
besitzen, wobei d₁ zwischen d₁=0 und
d₁≧d₀ ist, wobei d₀ der Durchmesser der jeweils größe
ren Wicklungen aus ersten und zweiten Wicklungen ist.
5. Wirbelstromsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß die ersten und
zweiten Ebenen einen Axsialabstand d₁ voneinander besit
zen, und daß ein Teil-Magnetschirmmittel (13) mit einer
Dicke t dazwischen vorgesehen ist, daß der Abstand d1≧
d₁ + t ist, wobei d0 der Durchmesser der größeren aus
ersten und zweiten Wicklungen und t im wesentlichen
gleich der Standard-Eindringtiefe δ ist.
6. Wirbelstromsonde nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste und die
zweite Ebene einen Axsialabstand voneinander besitzen,
der gleich d₁≧2 d₀ ist, wobei d₀ der Durchmesser der
größeren Wicklungen aus ersten und zweiten Wicklungen
ist.
7. Wirbelstromsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß die Anzahl von
ersten bzw. zweiten Wicklungen die Zahl 2, 4 oder 6 ist
und daß die erste und zweite Wicklungsanordnung je an
einem Sondengehäuse vorgesehen ist, das längs der Zentral
achse (9) in dem Rohr frei bewegbar ist.
8. Wirbelstromsonde nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Anzahl von ersten
bzw. zweiten Wicklungen die Zahl 2, 4 oder 6 ist und daß
die erste und zweite Wicklungsanordnung je an einem Son
dengehäuse vorgesehen ist, das längs der Zentralachse (9)
in dem Rohr frei bewegbar ist.
9. Wirbelstromsonde nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Anzahl von ersten
bzw. zweiten Wicklungen die Zahl 2, 4 oder 6 ist und daß
die erste und zweite Wicklungsanordnung je an einem Son
dengehäuse vorgesehen ist, das längs der Zentralachse (9)
in dem Rohr frei bewegbar ist.
10. Wirbelstromsonde nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß ein zweites Paar von
Wicklungsanordnungen, nämlich die dritte und die vierte
Wicklungsanordnung, vorgesehen ist, wobei das zweite
Paar identisch zu dem ersten Paar ist, jedoch von diesem
einem Axsialabstand d₁ größer als 2 d₀ besitzt und um
die Zentralachse (9) bezüglich des ersten Paares in Win
kelrichtung verdreht ist.
11. Wirbelstromsonde nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß ein zweites Paar von
Wicklungsanordnungen, nämlich die dritte und die vierte
Wicklungsanordnung, vorgesehen ist, wobei das zweite
Paar identisch zu dem ersten Paar ist, jedoch von diesem
einem Axsialabstand d₁ größer als 2 d₀ besitzt und um
die Zentralachse (9) bezüglich des ersten Paares in Win
kelrichtung verdreht ist.
12. Wirbelstromsonde nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß ein zweites Paar von
Wicklungsanordnungen, nämlich die dritte und die vierte
Wicklungsanordnung, vorgesehen ist, wobei das zweite
Paar identisch zu dem ersten Paar ist, jedoch von diesem
einem Axsialabstand d₁ größer als 2 d₀ besitzt und um
die Zentralachse (9) bezüglich des ersten Paares in Win
kelrichtung verdreht ist.
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