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Verfahren zur Fertigungsüberwachung der Abmessungen und deren Toleranzen von zu bearbeitenden Werkstücken, insbesondere in der Stahlindustrie - Dokument DE10127806A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10127806A1 19.12.2002
Titel Verfahren zur Fertigungsüberwachung der Abmessungen und deren Toleranzen von zu bearbeitenden Werkstücken, insbesondere in der Stahlindustrie
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Daalmans, Gabriel, 91315 Höchstadt, DE
DE-Anmeldedatum 07.06.2001
DE-Aktenzeichen 10127806
Offenlegungstag 19.12.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.12.2002
IPC-Hauptklasse G01N 27/90
IPC-Nebenklasse G01B 7/00   B21B 37/00   
Zusammenfassung Verfahren zur Fertigungsüberwachung der Abmessungen und deren Toleranzen von zu bearbeitenden Werkstücken, insbesondere in der Stahlindustrie. Ausführung von Wirbelstromerregung im Material des Werkstücks und Auswertung der zu messenden Wirbelstromspannung nach Realanteil (Vre) und Imaginäranteil (Vim). Messung bei ausgewählt unterschiedlichen Frequenzen der Erregung.

Beschreibung[de]

In z. B. Walzwerken wird insbesondere auf Glühtemperatur erhitztes Strangmaterial, insbesondere Stahl, zu Werkstücken weiterverarbeitet, insbesondere gewalzt. Sie sollen durch diesen Bearbeitungsvorgang vorgegebene, in vorgegebenen Toleranzen liegende Abmessungen des z. B. Walzquerschnittes haben. Dieses Strangmaterial durchläuft den Bearbeitungsvorgang zumindest in aufeinanderfolgenden Abschnitten kontinuierlich. Entsprechend ist bei diesem Durchlauf die Überwachung der Einhaltung der vorgegebenen Abmessungen des Werkstückes kontinuierlich durchzuführen.

Für einen wie voranstehend umrissenen Bearbeitungsvorgang ist die Verfügbarkeit einer Mess-Sonde mit Auswertung erforderlich, mit der, vorzugsweise im Durchlauf und wenigstens angenähert kontinuierlich die Einhaltung jeweiliger Abmessungen kontrolliert werden kann und ein vom Sollwert abweichendes Messergebnis für Regelung des Einhaltens der Abmessungen verfügbar ist. Der Response-Wert, d. h. der am Werkstück augenblicklich mit der Mess-Sonde ermittelte Messwert dient also wenigstens indirekt als Regelgröße in dem Regelprozess.

Als einschlägiger Stand der Technik ist in der (1) US-A-4575083 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Messung von Parametern an elektrisch leitfähigem Hochtemperaturmaterial beschrieben. Die dort gegebene Lehre besteht darin, mit einer entsprechenden Vorrichtung und einem Messverfahren die elektrischen Eigenschaften von elektrisch leitenden Materialien zu erfassen, und zwar auf der Grundlage der Nutzung der Wechselstrom-Wirbelstrom/-Messtechnik. Als zu beachten ist für dieses Verfahren die spezifische elektrische Leitfähigkeit, der Abstand zwischen Detektorspule und Objekt und die Abmessungen dieses Objekts. Die Erzeugung des Messsignals wird durch Erregung mit Wechselstrom-Magnetfeldern bewirkt, und zwar unter Verwendung einer Erregerspule. Die Erfassung eines Messsignals mit günstigerem Signal-Rauschabstand erfolgt mittels einer Detektorspule. Die an dieser Spule gemessene Spannung wird, wie in der Wirbelstromtechnik üblich, phasenempfindlich gleichgerichtet, d. h. demoduliert. Es liegen dann zwei Signalkomponenten vor, die 90° Phase zueinander haben. Mittels eines Offset-Abgleichs wird das Ausgangssignal auf 0 abgeglichen, dies erfolgt in der Vorrichtung ohne dass ein Messobjekt vorliegt. Die beiden phasenempfindlich gleichgerichteten und derart Offset-abgeglichenen Spannungskomponenten werden zur weiteren Signalverarbeitung benutzt. Zur Ermittlung der elektrischen Leitfähigkeit wird z. B. das Verhältnis der beiden Spannungskomponenten, Realteil und Imaginärteil der Spannung, gebildet. Für die Vorrichtung dieses Standes der Technik müssen, die praktische Anwendung einschränkend, zwei Bedingungen erfüllt sein. Die eine ist, dass der Abstand A zwischen der Detektorspule und dem Objekt in einem bestimmten Verhältnis zur Eindringtiefe des erregenden Feldes stehen muss, nämlich 0,1 < δ/A < 3. Darin ist δ die Eindringtiefe des Feldes. Für eine Leiterquerschnittsbestimmung soll gemäß diesem Stand der Technik der ganze Querschnitt vom erregenden Feld durchsetzt sein. Daraus ergibt sich eine Bedingung für die Frequenz der Erregung.

Aus der (2) US-A-5059902 ist ein elektromagnetisches Verfahren und System bekannt, bei dem auftretende Spannungsinduktion durch Abschalten bzw. Unterbrechen eines magnetischen Feldes mit zeitlich ansonsten konstanter Amplitude benutzt wird, und zwar zur Bestimmung von charakteristischen Materialwerten. Es sind dies Abstand, Abmessungen, elektrische Leitfähigkeit und die Temperatur elektrisch leitenden Materials. Mit diesem Verfahren soll erreicht werden, ein relativ kleines Response-Signal vor dem Hintergrund eines großen Erregerfeldes noch messtechnisch erfassbar zu machen. Weiter soll mit dem Verfahren die Möglichkeit verbessert werden, die unterschiedlichen Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit, Position und Abmessungen und dgl. eines Körpers unabhängiger voneinander bestimmbar zu machen. Bei diesem Verfahren erfolgt die Erregung eines DC-Magnetfeldes mittels eines DC- Stromes in einer Erregerspule. Durch Unterbrechen des DC- Stromes wird in einer vorgesehenen Detektorspule eine Flussänderung bewirkt. Das Abklingen des im gemessenen Objekt abklingenden Feldes wird bei ausgeschaltetem Erregerfeld mittels einer Detektorspule gemessen. Die Amplitude der in der Detektorspule induzierten Spannung und deren zeitlicher Abfall wird erfasst. Dies liefert Information über Eigenschaften des Objekts. Messtechnisch wird so vorgegangen, dass zu bestimmten Zeitpunkten über ein bestimmtes Zeitintervall τ hinweg die nach dem Abschalten des Erregerfeldes jeweils auftretende Messamplitude abklingt. Die Wahl der Zeitpunkte bzw. der Zeitintervalle der Messungen wird abhängig vom Material und der Spuleninduktivität getroffen. Zur Signalanalyse und Ermittlung der Materialeigenschaften sind Referenzgrößen erforderlich, die an einem Referenzkörper ermittelt worden sind. Die für die jeweilige Messung verfügbaren Zeitintervalle betragen jedoch bei Stählen weniger als eine Millisekunde und bei Kupfer etwa eine Millisekunde.

Aus der (3) WO-97/14013 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur induktiven Messung von Abmessungen und Positionen von Objekten beschrieben, die aus elektrisch leitfähigem Material bestehen. Mit der Lehre dieser Druckschrift soll die Erfassung von Abmessungen von bewegten Objekten verbessert werden. Verfahrensmäßig ist dazu vorgesehen, das Erregerfeld im wesentlichen parallel zur Oberfläche in das Messobjekt einfallen zu lassen. Das Erregerfeld weist eine erfassbare Zeitabhängigkeit auf. Die Anordnung der Detektorspule ist in etwa spiegelsymmetrisch zu der Position der Erregerspule. Mit dieser Anordnung lassen sich aber nur solche Bewegungen eines Objekts messen, die normal zur Objektoberfläche gerichtet sind. Auch dieses Verfahren arbeitet mit Normobjekten zwecks Kalibrierung der Messempfindlichkeit. Mit diesem Verfahren wird bezweckt, Störungen zu minimieren, die sich aus einer Bewegung des Objekts ergeben können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein von den technischen Einsatzmöglichkeiten, z. B. im Walzwerk, her vergleichbar anwendbares Verfahren anzugeben, mit dem ebenfalls die Fertigungsüberwachung der Abmessungen und deren Toleranzen des zu bearbeitenden beispielsweise Strangmaterials überwacht und entsprechend nachgeregelt werden können, jedoch wie voranstehend zitierte Nachteile vorzugsweise ausgeschlossen, jedoch zumindest entscheidend gemindert sind.

Zur Aufgabe der Erfindung gehört fakultativ des weiteren, ein Messverfahren zu haben und Ausgestaltungen der Messaufnehmer vorzusehen, die wenigstens weitgehend unempfindlich sind gegenüber elektromagnetischen Störungen, die in z. B. Walz- bzw. Ziehwerken zwangsläufig auftreten und insbesondere von den dort vorhandenen Elektromotoren und dergleichen erzeugt werden und induktive Einstreuungen in induktiven Messaufnehmern bewirken können. Auch sollen die Messergebnisse wenigstens weitgehend unbeeinflusst sein von unterschiedlich großen vorgegebenen Materialgrößen des jeweiligen Objekts, wie einerseits der Arbeitstemperatur und/oder andererseits der Abmaße eines Objekts, und zwar dies auch bei Bewegung desselben.

Diese Aufgabe wird gelöst, wie im Patentanspruch 1 angegeben ist und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus dazu angegebenen Unteransprüchen hervor.

Bei der Erfindung ist - abgesehen von aus anderen Gründen vorgenommenen Unterbrechungen der Folge der Messwerterfassung - permanente Erregung im Material des Werkstücks vorgesehen, die in diesem elektrische Wirbelströme bewirkt. Dies erfolgt mittels einer Erregerspule, die dem Werkstück gegenüberliegend positioniert angeordnet ist. Die Erregung erfolgt mit einer oder ggs. mehreren Erregerfrequenzen im Bereich von etwa 100 bis 106 Hz, und zwar für Wirbelstromerzeugung im vorliegenden Material. Entsprechend der permanenten Wirbelstromerregung mit einem periodischen Erregerstrom kann permanent die Konstanz oder eine Vergrößerung oder Verkleinerung einer Wirbelstrom-Response-Messgröße als Signal mit einer Mess- Sonde erfasst werden. Der Erregerstrom kann perfekt sinusförmig oder z. B. auch rechteckförmig sein. Gemessen und ausgewertet werden jeweils Realteil und Imaginärteil des betreffenden Messwertes, worauf jedoch noch näher eingegangen wird. Eine Änderung der aus der Wirbelstromerregung resultierenden Response-Signale gibt einen Hinweis auf eine Änderung, d. h. eine Inkonstanz einer zu erfassenden Abmessung dieses Werkstücks. Dieses Response-Signal der Wirbelstromerregung im Material des Werkstücks ist zwar ebenfalls abhängig vom temperaturabhängigen spezifischen elektrischen Widerstand des Materials. Dieses kann aber durch Messungen bei mehreren Erregerfrequenzen weitgehend eliminiert werden. Die bei hohen Frequenzen erhaltenen Messwerte geben im wesentlichen Information über physikalische Größen des Materials an. Bei niedrigen Frequenzen erhält man zusätzlich auch Angaben über die Abmessung des Werkstücks, z. B. des Querschnitts. Mit Kenntnis dieser Messwerte lassen sich die betreffenden jeweiligen Messgrößen voneinander separieren.

Mit der Erfindung können durch entsprechende Wahl der Anordnung von Erreger- und Detektorspulen gleichzeitig auch mehrere, insbesondere zwei interessierende Abmessungen des Werkstückes bei Anwendung verschiedener Erregerfrequenzen erfasst werden, weil hier die Wirbelstromerregung permanent ausgeführt wird. Es können dies die beiden zueinander orthogonalen Abmessungen eines beispielsweise rechteckigen Querschnitts des Werkstücks sein. Für diese gleichzeitigen Messungen müssen ebenfalls orthogonal zueinander zwei Mess-Sonden angeordnet sein. Sie können auch in Richtung des Durchlaufs des Werkstücks hintereinanderliegend, vorzugsweise nahe beieinander, angeordnet sein. Damit kann in einem Zuge der z. B. zwischen zwei Walzen gewalzte Rechteckstrang hinsichtlich seiner Querabmessungen gleichzeitig, an zwei örtlich etwas voneinander verschiedenen Stellen des Objekts gemessen, somit überwacht und geregelt konstant produziert werden.

Für die Ausführung der Erfindung mit Wirbelstromerregung im Material des Werkstücks mit einer Frequenz f und einer Amplitude des Erregerstroms gilt, dass die Wirbelströme das Werkstück komplett durchsetzen, d. h. die Frequenz in Bezug auf die zu erfassende Abmessung ausreichend niedrig gewählt ist.

Erfindungsgemäß wird mit der vorgesehenen Mess-Sonde eine Response-Messgröße K = ΔVim/ΔVre gemessen. Darin sind Vre und Vim Realteil und Imaginärteil der Änderung der elektrischen Spannung, die an der Mess-Sonde gemessen wird.



ΔV = ΔVre + jΔVim. (1)

Es gilt



ΔVre = Ierr[R12πf.M2] : [R12 + (2πf - L1)2]. (2)

Entsprechend gilt



ΔVim = Ierr[2πf.L1.(2πf - M)2] : [R12 + (2πf -L1)2]. (3)

In diesen Gleichungen ist Ierr die Stromstärke in der Erregerspule, mit der das Auftreten der Wirbelströme im Werkstück bewirkt wird. R1 ist der Verlustwiderstand im Material, L1 die Selbstinduktivität der Wirbelströme im Material und M ist die Gegeninduktivität zwischen Erreger- bzw. Detektorspule einerseits und den Wirbelströmen im Material andererseits.

Erregung mit jeweils unterschiedlich groß bemessener Stromstärke, d. h. Leistung, des Erregerstromes Ierr kann erforderlich sein, so z. B. bei Messungen mit unterschiedlichen Frequenzen des Erregerstroms. Die Größe des Erregerstroms ist jeweils so anzupassen, dass verwertbare Messergebnisse zu erhalten sind.

Mit Hilfe der gemessenen Response-Messgröße K kann erfindungsgemäß eine jeweilige Abmessungsgröße des Stranges bzw. Werkstückes bestimmt werden. Es kann dies z. B. die Dicke einer gewalzten Platte sein. Falls sich die Temperatur des Materials des Objekts während des Messvorganges ändert, wird bei unterschiedlichen Erregerfrequenzen gemessen. Für diese Messwertermittlung wird ein an sich bekannter Messwertvergleich mit Messwerten einer erstellten, vorliegenden Bibliothek mit an Normalmustern gemessenen Werten herangezogen. In der Bibliothek der Messwerte für den Werk K ist als Parameter vorzugsweise auch die Temperaturabhängigkeit des Response- Wertes und ggf. dies auch für jeweilige Permeabilität berücksichtigt.

In Anwendung dieser Erfindung wird für konstante Abmessung des Werkstückes, z. B. der Dicke eines Stranges der Walzrollen-Spalt jeweils derart nachgeregelt, dass der Response-Wert K über die Dauer des z. B. Walzprozesses konstant gehalten bleibt. Soweit der Bibliothek kein exakter Vergleichswert für den Response-Wert K entnommen werden kann, kann durch entsprechende Interpolation jeglicher Zwischenwert für K ermittelt bzw. für den Bearbeitungsprozess des Werkstücks vorgegeben werden.

Zur Offenbarung der Erfindung gehören auch die anliegenden Fig. 1 bis 6.

Fig. 1 zeigt ein vektorielles Diagramm der reellen und imaginären Anteile der zu berücksichtigenden elektrischen Spannungsgrößen.

Fig. 1A zeigt den Verlauf der Höhe des Spannungssignals in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz.

Fig. 2 zeigt das Schema eines Aufbaus einer zu verwendenden Messeinrichtung.

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild zur Fig. 2.

Fig. 4 zeigt Einzelheiten zur Einrichtung für den Empfang des Messsignals.

Fig. 5 zeigt den Aufbau einer ersten Variante eines Magnetfeldwandlers zu Fig. 4 und

Fig. 6 zeigt einen zu Fig. 5 alternativen Aufbau für Fig. 4.

Bezüglich der vorgenannten Gleichungen sei zum vertieften Verständnis der Erfindung noch auf die Fig. 1 hingewiesen. Die Fig. 1 zeigt in der komplexen Spannungsebene die Vektoren der einzelnen Spannungswerte der obengenannten Beziehungen bzw. Gleichungen. Vs ist darin diejenige komplexe elektrische Spannung, die an der Mess-Sonde gemessen wird wenn diese lediglich von Luft umgeben ist, d. h. kein Werkstück sich in deren Nähe befindet. Der Spannungsvektor ΔV und seine Komponenten ΔVre und ΔVim sind die Spannungsänderungen, die im Erregungs- und Messbereich bei dort vorhandenem jeweiligem Material bzw. Werkstück auftreten und gemessen werden. Um z. B. beim Walzen vorgegebene konstante Abmessungen zu erreichen, werden die Walzen im bzw. für den jeweiligen Durchlauf des Materials in ihrer Einstellung so nachgeregelt, dass die Sollwerte ΔVre und ΔVim erreicht werden.

Nachfolgend wird eine Verfahrensvariante zur Erfindung beschrieben.

Diese Variante ist z. B. geeignet zur Messung und überwachungsgemäßen Regelung der Stärke und Breite einer gewalzten Platte. Die Platte als zu bearbeitendes Werkstück wird mit einer Anzahl verschiedener Frequenzen erregt. Diese Frequenzen sind so ausgewählt, dass das Werkstück bei z. B. der einen Frequenz mit dem Ergebnis erregt wird, dass die entstehenden Wirbelströme die Dicke des Werkstücks voll durchsetzen. Mit anderen ausgewählten Frequenzen soll das Werkstück nur teilweise, z. B. nur zu 10%, mit erregten Wirbelströmen durchsetzt sein. Vergleichsweise zu den obigen Gleichungen (1), (2) gelten hier die Gleichungen



ΔV(fi) = ΔVre(fi) + jVim(fi). (11)



ΔVre(fi) = Ierr R1[2πfi.M]2 : [R12 + (2πfi.L1)2]. (12)



ΔVim(fi) = Ierr [2πfiM]2.(2πfi.L1) : [R12 + (2πfi.L1)]. (13)

Anhand der mit der Mess-Sonde gemessenen Spannungen für die jeweiligen Frequenzen fi = f1, f2. . . werden die Response- Werte K; Ki = ΔVim(fi) : ΔVre(fi) ermittelt. Mit diesen ermittelten Werten K wird die z. B. Plattenstärke anhand einer vorliegenden, wie oben schon beschriebenen, zuvor erstellten Datenbibliothek, ggf. mit Interpolation, ermittelt. Alternativ kann auch über das Frequenzverhalten der Werte Ki(fi) in Verbindung mit der auftretenden Eindringtiefe des Erregerfeldes in das Material die betreffende Abmessung des Werkstücks bestimmt bzw. geregelt werden. Bei letzterer Variante nutzt man die Tatsache, dass das Produkt aus K-Wert und Erregerfrequenz bei denjenigen Erregerfrequenzen sich nicht mehr ändert, bei denen das Werkstück, z. B. die Platte, nicht mehr vollständig vom Erregerfeld durchsetzt wird. Die z. B. Plattenstärke wird dabei in Relation gesetzt zu der Eindringtiefe des Erregerfeldes, nämlich bei der Frequenz fc, bei der das frequenzunabhängige Verhalten aufzutreten beginnt. Dazu siehe auch Fig. 1A. Der Zusammenhang zwischen der Frequenz f und der Eindringtiefe d des Erregerfelds in das Material ist in der Bibliothek generell vorhanden. Dem jeweiligen Ergebnis entsprechend wird der Walzenrollenspalt eingestellt bzw. im laufenden Betrieb dem Sollwert folgend nachgeregelt. Für die Abmessung der Plattenbreite wird die Positionierung von Erregung und Mess-Spule angepasst gewählt.

Für die Durchführung erfindungsgemäßer Messungen sei ein Ausführungsbeispiel nachfolgend beschrieben.

Fig. 2 zeigt das Prinzip eines Aufbaus zur Ausführung der Erfindung. Mit 1 ist ein Werkstück, z. B. ein Strang oder eine Platte des Materials im Schnitt dargestellt. Mit 2 ist eine Erregerspule und mit 3 das Erregerfeld bezeichnet. Mit 4 ist das Feld der mit der Erregung bewirkte Wirbelstromantwort angedeutet. Mit der Spule 2 der Erregung kann hier auch die Messung erfolgen, so dass diese Spule auch Mess-Sonde 2' ist. Die Erregerspule 2 wird von dem Erregerstrom Ierr durchflossen.

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild zu Fig. 2. Mit 11 ist der Generator der Erregung mit der Erregerspule 2 und deren Spuleninduktivität Ls und innerem Widerstand Rs bezeichnet. Mit M ist die Gegeninduktivität zwischen der Erregerspule und der Wirbelstrominduktion bezeichnet. Mit R1 und L1 sind Widerstand und Selbstinduktivität der Wirbelstrominduktion im Material bezeichnet. An den Anschlüssen der Mess-Sonde ist die Sonden-Spannung V = Vre + jVim zu messen. Für das Ersatzschaltbild nach Fig. 3 gilt die Beziehung.



(V : Ierr) = Rs + j2πfLs + [(2πfM)2.R1 : (R12 + (2πfL1)2] - (j2πfL1)(2πfM)2 : [R12 + (2πfL1)2]

Die in der Gleichung enthaltenen Größen M; R1; L1 sind Größen, die mit den auftretenden Wirbelströmen verbunden sind.

Die Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Anwendung der Erfindung.

Mit 1 ist wiederum das Werkstück bezeichnet. Mit 2 bezeichnet ist die Erregerspule. Der Übersichtlichkeit halber sind Anschluss-Leitungen und dgl. weggelassen. Mit 41 und 42 sind hier als Sensor zwei gleiche, miteinander in Reihe geschaltet verbundene Antennenspulen bezeichnet. Über eine Koppelschleife, beispielhaft dargestellt in den Fig. 5 und 6, sind diese Antennenspulen - als besondere Weiterbildung - außerdem magnetisch mit mindestens einem Magnetfeld-Spannungswandler 43 verknüpft. Die Anordnung und insbesondere Symmetrie dieser von den Antennenspulen 41 und 42 gebildeten induktiven Antenne 140 sind so gewählt, dass bei nicht vorhandenem Werkstück 1 durch das erregte Feld 100, dieses ausgehend von der Spule 2, kein resultierender Induktionsstrom in der Antenne 140 erzeugt und infolgedessen kein Messfeld im Magnetfeld- Spannungswandler 43 induziert wird. Die Ausgestaltung der Antenne und des Wandlers 43 sind derart, dass die Anordnung der Fig. 4 eine nur sehr geringe Empfindlichkeit für homogene magnetische Störfelder aufweist. Diese Anordnung der Fig. 4 ist also besonders geeignet für die Lösung der der Erfindung gestellten Aufgabe, nämlich der Regelung der Maßhaltigkeit von bei der Stahlerzeugung hergestellten Produkten. Erst wenn ein Werkstück (wie dargestellt) vorliegt, in dem Wirbelströme mit dem Feld 200 aufgrund der Erregung erzeugt werden, wird in der in der Figur unteren Antennenspule 42 eine elektrische Spannung V induziert. In allein der obengelegenen Antennenspule 41 wird, weil sie, wie dargestellt, weiter vom Werkstück entfernt positioniert ist, eine wesentlich kleinere elektrische Spannung (mit entgegengesetzter Polarität) induziert. Infolgedessen tritt in der Antenne eine resultierende Induktionsspannung auf und fließt dort ein resultierender Induktionsstrom, dessen Magnetfeld von noch näher zu beschreibenden (Fig. 5 und 6) Magnetfeldwandlern gemessen wird.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Einzelheiten zur Anordnung und Ausführung von Magnetfeldwandlern und zugehörigen Koppelschleifen. Der Antennenstrom wird der Anordnung nach Fig. 5 an den Punkten 141 und 142 in die Koppelschleife eingespeist. Wie die Fig. 5 zeigt, sind diese beiden Punkte über die dargestellten seriell geschalteten Strom-Koppelschleifen 241 und 242 miteinander verbunden. Es sind dies Koppelschleifen zu den Hall-Magnetfeldwandlern 341 und 342 zur Erfassung des jeweiligen Magnetfeldes dieser Koppelschleifen 241 und 242. Diese Wandler sind in Serie geschaltet. Sie werden wie bekannt mit einem Einstellstrom IHall gespeist. Die Hall- Spannung ist an den Anschlüssen 400 abzunehmen. Diese Anordnung ist unempfindlich gegenüber homogenen Feldern.

Die Fig. 6 zeigt eine der Fig. 5 entsprechende Ausführungsform mit einem magnetoresistiven Widerstand 641 als Magnetfelddetektor. Zum Beispiel ist dies ein GMR-Wandler. Dieser Wandler 641 ist in einer wie in Fig. 6 dargestellten Brückenschaltung mit drei weiteren Ohmschen Widerständen 642 eingefügt. Der magnetfeld-sensitive Widerstand 641 ist in einer Magnetfeld-Koppelschleife 600 angeordnet, die vergleichsweise der Fig. 5 mit dem Antennenausgang der Fig. 4 elektrisch verbunden ist. Das in dieser Koppelschleife 600 auftretende, dem Antennensignal der Fig. 4 entsprechende Stromsignal erzeugt dort ein Magnetfeld, das von dem magnetfeldempfindlichen Widerstand 641 in ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Mit der Brückenschaltung der Fig. 6 erhält man das Ausgangssignal der Messung, d. h. das Messwertsignal gemäß der Erfindung. Mit 643 ist in Fig. 6 ein z. B. Ferritstift bezeichnet, der Magnetfeld-flussfokussierende Wirkung in bekannter Weise hinsichtlich der Position des magnetfeldsensitiven Widerstandes bewirkt. Die Wahl einer Brückenschaltung dient zur Kompensation von elektrischen Drift-Effekten. Mit Im ist der Einstellstrom des jeweiligen Wandlers bezeichnet, der in die Brückenschaltung eingespeist wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Erfassung und/oder Überwachung von Material- Eigenschaften elektrisch leitfähigen Materials und/oder von Abmessungen von Körpern aus elektrisch leitfähigem Material bestehend, wobei elektromagnetische Wirbelstromtechnik mit Wechselstromerregung und Wirbelstromdetektion angewendet wird, wobei die elektromagnetische Wirbelstrom-Erregung im Material mit verschiedenen hohen Frequenzen eines vorgegebenen Frequenzbereichs ausgeführt wird und bei dem die Auswertung des jeweiligen Messergebnisses ΔV = ΔVre + ΔVim getrennt nach dem Realteil ΔVre und dem Imaginärteil ΔVim erfolgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Erregerfrequenz gesweept wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit Ermittlung der Messergebnisse ΔV bei jeweils für verschieden hohe Frequenzen fi der Erregung unterschiedlich hoher Leistung der Wechselstromerregung (Ierr).
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Erregung mit Rechteckströmen erfolgt, deren Fourier-Spektrum dem vorgegebenen Frequenzbereich wenigstens nahekommend entspricht und die zeitliche Aufeinanderfolge der Rechteckstrom-Impulse so gedehnt bemessen ist, dass zwischen zwei aufeinander folgenden Rechteckstromimpulsen ein Zeitintervall liegt, das für das Abklingen der durch den vorangegangenen Rechteckstrom- Impuls bewirkten Wechselstromerregung im Material ausreichend groß bemessen ist.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem für die messtechnische Erfassung des auftretenden induzierten Wirbelstromsignals eine Antenne (140) mit differentieller Antennen- Spulenanordnung (41, 42), verwendet wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das an der Antenne (140) jeweils auftretende Messergebnis mit Hilfe magnetfeldsensitiver Detektoren (341, 342; 641) erfasst wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem ein magnetfeldsensitiver Detektor (614) mit magnetoresistiver Eigenschaft in einer abgleichbaren Brückenschaltung verwendet vorgesehen ist.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das erfasste elektrische komplexe Spannungssignal ΔV ausgewertet wird in der Form ΔVim : ΔVre.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zur Reduzierung des Einflusses von Änderungen im Erregerstrom, den Spuleneigenschaften und der Temperatur Realteil und Imaginärteil der am zu messenden Material gemessenen Detektorspannung normiert werden mit dem Real- und dem Imaginärteil derjenigen Detektorspannung (Vs), die bei in der Messeinrichtung nicht vorhandenem Materialteil gemessen wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem zur Minderung von Temperaturabhängigkeit der Frequenzbereich vorgesehener Erregerströme (Ierr) so gewählt wird, dass das Werkstück (1) bei mindestens einer der Frequenzen (fi) vollständig durchdrungen und bei einer anderen Frequenz (fi+n) nur teilweise in das Material eindringend Wirbelstrom-erregt wird und das Verhältnis der bei den unterschiedlichen Frequenzen ermittelten Messergebnisse ausgewertet wird.






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