DE102015004607A1

DE102015004607A1 - Sensor unit, system and method for detecting and locating anomalies in test objects of electrically conductive material

Info

Publication number: DE102015004607A1
Application number: DE102015004607.1A
Authority: DE
Inventors: Konstantin Weise; Marek Ziolkowski; Matthias Carlstedt; Hartmut Brauer
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2016-10-06

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung sollen eine Sensoreinheit, ein System und ein Verfahren zum Detektion und Lokalisierung von Anomalien in Prüfobjekten aus elektrisch leitfähigem Material bereitgestellt werden, mit denen elektrisch leitfähige Materialien global und lokal geprüft und vorhandene Anomalien charakterisiert werden können. Der erfindungsgemäßes System umfasst mindestens eine Sensoreinheit, bestehend aus einer statischen Magnetfeldquelle (02) und ein ersten Magnetsystem (04), mindestens eine Positionier- und Kraftmesseinheit (03), an welcher das erste Magnetsystem (04) befestigt ist, und einer Auswerte- und Steuereinheit (08). Mit Hilfe der erfassten, auf die Magnetfeldquelle wirkenden Kraftkomponenten können vorhandene Anomalien global und lokal analysiert und bewertet werden.The present invention is intended to provide a sensor unit, a system and a method for detecting and locating anomalies in test objects made of electrically conductive material, with which electrically conductive materials can be tested globally and locally and existing anomalies can be characterized. The inventive system comprises at least one sensor unit, consisting of a static magnetic field source (02) and a first magnet system (04), at least one positioning and force measuring unit (03) to which the first magnet system (04) is attached, and an evaluation and Control unit (08). With the help of the detected force components acting on the magnetic field source, existing anomalies can be analyzed and evaluated globally and locally.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinheit, ein System und ein Verfahren zur Detektion und Lokalisierung von Anomalien in Prüfobjekten aus elektrisch leitfähigem Material.The present invention relates to a sensor unit, a system and a method for detecting and locating anomalies in test objects of electrically conductive material.

In der heutigen Zeit spielt die zerstörungsfreie Detektion von Anomalien in Werkstoffen aufgrund der ständig steigenden Materialanforderungen eine große Rolle. In diesem Sinne wird der Prüfkörper vor seinem Einsatz auf Inklusionen, Defekte oder allgemeine Materialinhomogenitäten untersucht, die während des Produktionsprozesses entstehen können. Dabei ist die Untersuchung von elektrisch leitfähigen Materialien aufgrund der hohen Bedeutung metallischer Werkstoffe in der heutigen Zeit unabdingbar.Non-destructive detection of material anomalies is currently important due to ever-increasing material requirements. In this sense, the specimen is examined prior to its use for inclusions, defects or general material inhomogeneities that may arise during the production process. The investigation of electrically conductive materials is indispensable today because of the importance of metallic materials.

Der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung liegt eine Reihe von Verfahren zu Grunde, die in dem Artikel „From Fifteen to Two Hundred NDT-Methods in Fifty Years” von T. Aastroem (17th World Conference an Nondestructive Testing, 2008) aufgeführt werden. Ein weiterer Überblick über derzeit angewandte Verfahren und den zugrunde liegenden physikalischen Wirkprinzipien ist in dem Buch „Handbook of nondestructive evaluation” von Charles Hellier (McGraw-Hill, New York, 2003) zu finden.The non-destructive testing of materials is based on a number of methods, which are described in the Article "From Fifteen to Two Hundred NDT Methods in Fifty Years" by T. Aastroem (17th World Conference on Nondestructive Testing, 2008) be listed. Another review of currently used methods and underlying physical principles is in the book "Handbook of nondestructive evaluation" by Charles Hellier (McGraw-Hill, New York, 2003) to find.

Eine besondere Bedeutung bei der Untersuchung von elektrisch leitfähigen Materialien kommt den elektromagnetischen Verfahren zu. Ein bekanntes Verfahren in diesem Bereich stellt die Wirbelstromprüfung dar. Ein konventioneller Sensor umfasst Erreger- und Empfängerspulen. Die Erregerspule wird an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen und erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld. Aufgrund der zeitlichen Änderung des Magnetfeldes werden im Prüfkörper Wirbelströme induziert, deren Verlauf im Falle eines Defektes gestört wird. Dies hat eine Veränderung des von den Wirbelströmen erzeugten Magnetfeldes zur Folge. Mit Hilfe der Empfängerspulen wird eine solche Veränderung erfasst. In diesem Sinne hängt die Qualität des Messsignals stark von der gewählten Erregerfrequenz ab. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens stellt die geringe Eindringtiefe der elektromagnetischen Felder dar, die ebenfalls von der Frequenz des Primärfeldes, sowie von den Materialeigenschaften des Prüfkörpers bestimmt wird. Defekte die tiefer als das Dreifache der Eindringtiefe liegen, können in der Regel nur schwer klassifiziert werden ( „Deep Penetrating eddy currents and Probes”, Mook, H., Hesse, O., und Uchanin, V., 9th European Conference an Nondestructive Testing, 2006 ). Aus diesem Grund wird die Wirbelstromprüfung auch als Oberflächenmethode klassifiziert. Die Methode ist in ihrer Auflösung und Prüfgeschwindigkeit begrenzt.Of particular importance in the investigation of electrically conductive materials is the electromagnetic process. A well-known method in this area is the eddy current test. A conventional sensor comprises exciter and receiver coils. The excitation coil is connected to an AC voltage source and generates an alternating electromagnetic field. Due to the temporal change of the magnetic field eddy currents are induced in the test specimen whose course is disturbed in the event of a defect. This results in a change in the magnetic field generated by the eddy currents. With the help of the receiver coils such a change is detected. In this sense, the quality of the measurement signal depends strongly on the selected excitation frequency. A major disadvantage of this method is the low penetration depth of the electromagnetic fields, which is also determined by the frequency of the primary field, as well as the material properties of the test specimen. Defects deeper than three times the penetration depth can usually be classified only with difficulty ( "Deep Penetrating Eddy Currents and Probes", Mook, H., Hesse, O., and Uchanin, V., 9th European Conference on Nondestructive Testing, 2006 ). For this reason, the eddy current test is also classified as a surface method. The method is limited in its resolution and test speed.

Bisher können mit Hilfe des Prinzips der Wirbelstromprüfung axialsymmetrische Prüfkörper auf oberflächennahe Defekte untersucht werden („Defectomat”, Institut Dr. Foerster GmbH & Co. KG http://www.foerstergroup.de/DEFECTOMAT-DS.67.0.html). Dabei ist das Untersuchungsobjekt von einer Erregerspule umgeben. Im Fall eines Defektes ist eine zeitliche Änderung des sekundären Magnetfeldes zu verzeichnen, die mit Hilfe von Empfängerspulen detektiert wird. Das beschriebene Verfahren umfasst lediglich die Detektion von Defekten, zur genauen Lokalisierung hingegen wird ein zweites Testsystem benötigt („Circograph”, Institut Dr. Foerster GmbH & Co. KG, http://www.foerstergroup.de/CIRCOGRAPH-DS.74.0.html). In diesem System rotieren Wirbelstromsensoren um den axialsymmetrischen Prüfkörper. Bei gleichzeitiger Bewegung des Prüfobjektes ergibt sich eine helixförmige Prüfspur. Dabei muss allerdings der gesamte Prüfkörper gescannt werden, um eine Lokalisierung von Defekten zu ermöglichen.So far, with the aid of the principle of eddy current testing, axially symmetric test specimens can be examined for near-surface defects ("Defectomat", Institute Dr. Foerster GmbH & Co. KG http://www.foerstergroup.de/DEFECTOMAT-DS.67.0.html). The object to be examined is surrounded by an exciter coil. In the case of a defect, a temporal change of the secondary magnetic field is detected, which is detected by means of receiver coils. The method described comprises only the detection of defects, for the exact localization, however, a second test system is required ("Circograph", Institute Dr. Foerster GmbH & Co. KG, http://www.foerstergroup.de/CIRCOGRAPH-DS.74.0. html). In this system, eddy current sensors rotate around the axisymmetric test specimen. With simultaneous movement of the test object results in a helical test track. However, the entire specimen must be scanned to allow localization of defects.

In der Patentanmeldung WO 2007/053519 wird die Detektion von Defekten in rotierenden axialsymmetrischen Prüfkörpern beschrieben. Dabei wird die Bremskraft, die auf einen Magneten wirkt ausgewertet.In the patent application WO 2007/053519 the detection of defects in rotating axisymmetric specimens is described. In this case, the braking force that acts on a magnet is evaluated.

Eine Modifikation der klassischen Wirbelstromprüfung wurde in den letzten Jahren an der Technischen Universität Ilmenau unter dem Namen „Lorentzkraft Wirbelstromprüfung” (LET) entwickelt. Diese beruht auf der Induktion von Wirbelströmen aufgrund einer Relativbewegung zwischen dem Prüfling und der Magnetfeldquelle. Anders als bei der klassischen Wirbelstromprüfung wird das Prüfobjekt einem statischen Magnetfeld ausgesetzt. Als eine mögliche Magnetfeldquelle könnte ein Dauermagnet zum Einsatz kommen. Infolge der induzierten Wirbelströme wird eine Lorentzkraft hervorgerufen. Aufgrund des dritten Newtonschen Axioms wirkt diese Kraft auf den Prüfling und die Magnetfeldquelle. Mittels Kraftsensoren, kann die Kraft, die auf die Quelle wirkt gemessen werden. Ein zusätzlicher Informationsgehalt ergibt sich unter Verwendung von 3D Kraftsensoren, die die Kräfte in alle drei Raumrichtungen messen. Passiert ein Defekt innerhalb des Prüfobjektes die Magnetfeldquelle, werden die Wirbelströme in Ihrer Ausprägung gestört. Infolge dessen ergibt sich eine Änderung der gemessenen Lorentzkräfte, die vom Messsystem detektiert werden. Aufgrund der Verwendung von magnetischen Gleichfeldern können die elektromagnetischen Felder tiefer in das Prüfobjekt eindringen. Somit liegt ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens darin, auch tiefer liegende Defekte detektieren zu können. Die Grundprinzipien sind in dem Artikel „Lorentz force eddy current testing: a novel NDE-technique” von H. Brauer et al. (COMPEL – The international journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering, vol. 33, no. 6, pp. 1965–1977, 2014) beschrieben.A modification of the classical eddy current test was developed in recent years at the Technical University Ilmenau under the name "Lorentz force eddy current test" (LET). This is due to the induction of eddy currents due to a relative movement between the DUT and the magnetic field source. Unlike the classic eddy current test, the test object is exposed to a static magnetic field. As a possible magnetic field source, a permanent magnet could be used. Due to the induced eddy currents, a Lorentz force is produced. Due to the third Newtonian axiom, this force acts on the test object and the magnetic field source. By means of force sensors, the force acting on the source can be measured. An additional information content results from the use of 3D force sensors, which measure the forces in all three spatial directions. If a defect within the test object passes the magnetic field source, the eddy currents are disturbed in their characteristics. As a result, there is a change in the measured Lorentz forces that are detected by the measuring system. Due to the use of DC magnetic fields, the electromagnetic fields can penetrate deeper into the test object. Thus, a significant advantage of this method is to be able to detect even deeper defects. The basic principles are in the Article "Lorentz force eddy current testing: a novel NDE technique" by H. Brauer et al. (COMPEL - The international journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering, vol. 33, no. 6, pp. 1965-1977, 2014) described.

In diesem Zusammenhang werden in der DE 102011056650 A1 ein Verfahren und eine Anordnung basierend auf dem LET-Prinzip zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit eines Werkstückes offenbart.In this context, in the DE 102011056650 A1 discloses a method and an arrangement based on the LET principle for determining the electrical conductivity of a workpiece.

Außerdem wird in der WO 2014037388 A1 ein differentieller Sensor, ein Prüfsystem sowie ein Verfahren zur Detektion von Anomalien in elektrisch leitfähigen Materialien vorgestellt. Dabei werden der Permanentmagnet oder eine Anordnung von Permanentmagneten von Empfängerspulen umgeben. Damit wird die zeitliche Änderung des von den induzierten Wirbelströmen erzeugten magnetischen Feldes erfasst und als Signal ausgewertet. Auf diese Weise ist es möglich Rückschlüsse auf eventuelle Defekte zu ziehen.In addition, in the WO 2014037388 A1 a differential sensor, a test system and a method for detecting anomalies in electrically conductive materials presented. In this case, the permanent magnet or an array of permanent magnets are surrounded by receiver coils. Thus, the temporal change of the magnetic field generated by the induced eddy currents is detected and evaluated as a signal. In this way it is possible to draw conclusions about possible defects.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Stand der Technik weiterzuentwickeln und die aufgezeigten Nachteile zu überwinden und eine Sensoreinheit, ein System und ein Verfahren zum Detektion und Lokalisierung von Anomalien in Prüfobjekten aus elektrisch leitfähigem Material bereitzustellen, mit denen es gelingt elektrisch leitfähigen Materialien global und lokal zu prüfen und vorhandene Anomalien zu charakterisieren.The object of the present invention is to further develop the prior art and to overcome the drawbacks and to provide a sensor unit, a system and a method for the detection and localization of anomalies in test objects made of electrically conductive material, with which succeeds electrically conductive materials globally and to examine locally and to characterize existing anomalies.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten, sechsten und neunten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.According to the solution of this problem with the features of the first, sixth and ninth patent claim succeeds. Advantageous embodiments of the solution according to the invention are specified in the subclaims.

Im Folgenden werden Einzelheiten und Vorteile der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:In the following, details and advantages of the invention will be explained in more detail with reference to drawings. It shows:

1: ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 1 : A preferred embodiment of the system according to the invention

2: zwei Ausführungsbeispiele für eine statische Magnetfeldquelle 2 Two exemplary embodiments of a static magnetic field source

3: ein Ausführungsbeispiel eines positionierbaren ersten Magnetsystems zur gezielten Charakterisierung von Anomalien 3 : An embodiment of a positionable first magnet system for the targeted characterization of anomalies

4: prinzipielle Signalverläufe der ermittelten Kraftkomponenten bei der Detektion einer Anomalie 4 Principal signal curves of the determined force components during the detection of an anomaly

5: prinzipielle Signalverläufe der Spannung bei der Detektion und Lokalisierung von Anomalien unter Verwendung von zusätzlichen Spulenarrays (14) an der statischen Magnetfeldquelle (02) 5 : Principal voltage waveforms in the detection and localization of anomalies using additional coil arrays ( 14 ) at the static magnetic field source ( 02 )

6: prinzipielle Signalverläufe der Spannung und Kraftkomponenten bei der Detektion von Anomalien unter Verwendung von mit zusätzlichen Spulen (15, 16) umwickelten positionierbaren Magnetsystemen (04, 05) Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, neben oberflächennahen auch tief liegende Anomalien im Zusammenhang des Produktionsprozesses berührungslos zu lokalisieren. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems zur Detektion und Lokalisierung von Anomalien in Prüfobjekten aus elektrisch leitfähigem Material ist in 1 dargestellt. Der Aufbau stellt das sich bewegende Prüfobjekt (01) und die entsprechenden Magnetsysteme (02, 04, 05) zur Detektion von Anomalien (07, 09) dar. Die Anordnung umfasst zudem ein Markiersystem (06) zur Kennzeichnung der Fehlstellen. 6 : Principal voltage and force components in the detection of anomalies using additional coils ( 15 . 16 ) wound positionable magnet systems ( 04 . 05 With the solution according to the invention, it is possible to localize not only near the surface but also low-lying anomalies in connection with the production process. A preferred embodiment of the system according to the invention for detecting and locating anomalies in test objects of electrically conductive material is disclosed in US Pat 1 shown. The structure represents the moving test object ( 01 ) and the corresponding magnet systems ( 02 . 04 . 05 ) for the detection of anomalies ( 07 . 09 ). The arrangement also comprises a marking system ( 06 ) to identify the defects.

Das Prüfobjekt (01) durchfährt die statische Magnetfeldquelle (02), die vorzugsweise den Prüfkörper vollständig umschließt. Eine mögliche Magnetfeldquelle stellen Permanentmagnete dar. Die bevorzugten Magnetisierungsrichtungen, radial oder axial, sind in 2 gezeigt. Aufgrund der Relativbewegung zwischen Prüfobjekt (01) und Magnetfeldquelle (02) werden im Prüfobjekt (01) nach dem LET-Prinzip Wirbelströme induziert. Aufgrund des axialsymmetrischen Aufbaus der Anordnung ergibt sich eine axialsymmetrische Wirbelstromverteilung. Die dadurch entstehenden Komponenten der Lorentzkraft F_x, F_y und F_z werden an der Magnetfeldquelle (02) gemessen. Im defektfreien Fall ergibt sich an der Magnetfeldquelle (02) ausschließlich eine axiale Kraftkomponente F_z, die auch als Bremskraft bezeichnet wird. Bei Vorhandensein eines Oberflächendefektes (07) oder eines tief liegenden Defektes (09) im Winkel φ_def wird die Symmetrie des Aufbaus gestört. In Folge dessen entstehen die Kraftkomponenten F_x und F_y mit deren Hilfe die azimutale Position des Defektes ermittelt werden kann. Die prinzipiellen Signalverläufe dieser beiden Kraftkomponenten sind in 4 für verschiedene Defektpositionen in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Die gezeigten Signalverläufe entsprechen dem Fall der radialen Magnetisierung der Magnetfeldquelle (02) (s. 2, links). Zur Ermittlung der Position des Defektes spielt der Verlauf der Kraftkomponenten F_x und F_y eine entscheidende Rolle. Je nach Signalverlauf können der Quadrant und die Winkelposition des Defektes ermittelt werden, wenn die beiden Kraftkomponenten F_x und F_y in Abhängigkeit voneinander dargestellt werden.The test object ( 01 ) passes through the static magnetic field source ( 02 ), which preferably completely surrounds the test specimen. One possible magnetic field source is permanent magnets. The preferred directions of magnetization, radial or axial, are in FIG 2 shown. Due to the relative movement between the test object ( 01 ) and magnetic field source ( 02 ) are displayed in the test object ( 01 ) induces eddy currents according to the LET principle. Due to the axially symmetrical structure of the arrangement results in an axially symmetric eddy current distribution. The resulting components of the Lorentz force F _x , F _y and F _z are at the magnetic field source ( 02 ). In the defect-free case arises at the magnetic field source ( 02 ) Only an axial force component F _z , which is also referred to as a braking force. In the presence of a surface defect ( 07 ) or a deep defect ( 09 ) at the angle φ _def , the symmetry of the structure is disturbed. As a result, the force components F _x and F _y arise with the aid of which the azimuthal position of the defect can be determined. The principal signal characteristics of these two force components are in 4 shown for different defect positions as a function of time. The signal waveforms shown correspond to the case of the radial magnetization of the magnetic field source ( 02 ) (s. 2 , Left). To determine the position of the defect, the course of the force components F _x and F _{y plays} a decisive role. Depending on the signal curve, the quadrant and the angular position of the defect can be determined if the two force components F _x and F _y are displayed as a function of one another.

Die Analyse der Signalverläufe erfolgt in einer zentralen Auswerte- und Steuereinheit (08). Im Gegensatz zu bisherigen Lösungen entfällt ein aufwändiges Scannen des Prüfobjektes durch die Möglichkeit der Lokalisierung im ersten Schritt. Nach Ermittlung der Defektposition werden die nachgeschalteten positionierbaren Magnetsysteme (04) und (05) dazu verwendet, den Defekt näher zu klassifizieren. Beide Magnetsysteme sind an Positioniereinheiten (03), zusammen mit einer Kraftmesseinheit angebracht. Als Positioniereinheit könnten beispielsweise Rotierköpfe zum Einsatz kommen. Die Steuerung dieser Einheiten erfolgt mit Hilfe der zentralen Auswerte- und Steuereinheit (08).The analysis of the waveforms takes place in a central evaluation and control unit ( 08 ). In contrast to previous solutions, a complex scanning of the test object by the possibility of localization in the first step is eliminated. After determining the defect position, the downstream positionable magnet systems ( 04 ) and ( 05 ) to used to classify the defect in more detail. Both magnet systems are located at positioning units ( 03 ), mounted together with a force measuring unit. As a positioning unit, for example, rotating heads could be used. The control of these units takes place with the aid of the central evaluation and control unit ( 08 ).

Die Erfindung umfasst weiterhin das in 3 dargestellte erste Magnetsystem (04). Es besteht aus einem radial magnetisierten segmentierten Außenring (10), einem axial magnetisierten zylinderförmigen Segment (11) und einem ferromagnetischen zylinderförmigen Segment (12) mit einer hohen Sättigungsmagnetisierung. Typische Vertreter dieser Materialien sind zum Beispiel Eisen-Kobalt-Legierungen.The invention further comprises the in 3 illustrated first magnet system ( 04 ). It consists of a radially magnetized segmented outer ring ( 10 ), an axially magnetized cylindrical segment ( 11 ) and a ferromagnetic cylindrical segment ( 12 ) with a high saturation magnetization. Typical representatives of these materials are, for example, iron-cobalt alloys.

In Kombination mit einem externen magnetischen Feld, hervorgerufen durch die anliegende Magnetfeldquelle (02), ermöglicht das erste Magnetsystem (04) eine Fokussierung und Verstärkung des magnetischen Flusses in der Nähe des Prüfobjektes (01). In Folge dessen steigt die zu messende Lorentzkraft. Im Vergleich zu traditionellen Magnetgeometrien, wie zum Beispiel den kugelförmigen, zylindrischen oder kuboidalen Permanentmagneten, zeigt das vorgestellte System erhebliche Verbesserungen hinsichtlich der Auflösung. Somit ermöglicht der vorgestellte Aufbau auch die Analyse von Defekten geringer geometrischer Größe.In combination with an external magnetic field, caused by the applied magnetic field source ( 02 ), the first magnet system ( 04 ) focusing and amplification of the magnetic flux in the vicinity of the test object ( 01 ). As a result, the Lorentz force to be measured increases. Compared to traditional magnet geometries, such as the spherical, cylindrical or cuboidal permanent magnets, the system presented shows significant improvements in resolution. Thus, the proposed structure also allows the analysis of defects of small geometric size.

Das erfindungsgemäße System kann durch die Verwendung von zusätzlichen Empfängerspulen erweitert werden. Aufgrund der zeitlichen Änderung des magnetischen Feldes im Fall eines Defektes, wird eine Spannung in einem der nahe am Prüfobjekt (01) angebrachten Spulensysteme (13, 14) induziert. Eine globale Aussage zur Detektion einer solchen Anomalie erfolgt mit dem ersten Spulensystem (13) dessen Spulenachse parallel zum Prüfkörper gerichtet ist. Ein Spulenarray (14) dient hingegen zur genauen Lokalisierung. Die einzelnen Spulenachsen der Arrayspulen sind jeweils senkrecht zur Oberfläche des Testobjektes gerichtet. Die prinzipiellen Signalverläufe bei Verwendung derartiger Sensorarrays sind in 5 anhand von 16 Kanälen exemplarisch dargestellt.The system according to the invention can be extended by the use of additional receiver coils. Due to the temporal change of the magnetic field in the case of a defect, a voltage in one of the close to the test object ( 01 ) mounted coil systems ( 13 . 14 ). A global statement for the detection of such anomaly takes place with the first coil system ( 13 ) whose coil axis is directed parallel to the specimen. A coil array ( 14 ), however, serves for accurate localization. The individual coil axes of the array coils are each directed perpendicular to the surface of the test object. The principal signal curves when using such sensor arrays are in 5 exemplified by 16 channels.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das erste Magnetsystem (04) von einem Spulensystem (15) umgeben. Die Spulenachse ist dabei parallel zur Achse dieses Magnetsystems gerichtet. Dies ermöglicht neben der Analyse der auf das Magnetsystem wirkenden Kräfte ebenfalls die Auswertung der induzierten Spannung. Die prinzipiellen Signalverläufe der Kräfte und der Spannung die allein durch einen passierenden Defekt entstehen sind in 6 dargestellt. Die gezeigten Verläufe beziehen sich auf das rotierte Koordinatensystem des ersten Magnetsystems (04) unter der Annahme einer Gravitationskompensation.In a further preferred embodiment, the first magnet system ( 04 ) of a coil system ( 15 ) surround. The coil axis is directed parallel to the axis of this magnet system. In addition to the analysis of the forces acting on the magnet system, this also enables the evaluation of the induced voltage. The fundamental signal curves of the forces and the tension which arise solely through a passing defect are in 6 shown. The courses shown relate to the rotated coordinate system of the first magnet system ( 04 ) assuming gravitational compensation.

Die hohe Variabilität der Defektgeometrien stellt hohe Anforderungen an das erfindungsgemäße System zur deren Detektion und Lokalisierung. Aus diesem Grund kann es neben dem positionierbaren ersten Magnetsystem (04) wahlweise weitere nachgeschaltete, der Anwendung angepasste, ebenfalls positionierbare Magnetsysteme (05), die auch vorzugsweise Spulensysteme (16) umfassen, aufweisen, die es der Anordnung ermöglichen, unterschiedliche oder mehrere Defekte gleichzeitig zu klassifizieren. Werden die Kraft- und Spannungssignale zwischen den verschiedenen Magnetsystemen miteinander in Beziehung gebracht, können potentielle Mehrdeutigkeiten bei der Lokalisierung von Defekten vermieden werden. Die Auswertung der Kraftsignale erfolgt jeweils in der zentralen Auswerte- und Steuereinheit (08).The high variability of the defect geometries places high demands on the system according to the invention for their detection and localization. For this reason, in addition to the positionable first magnet system ( 04 ) optionally further downstream, adapted to the application, also positionable magnetic systems ( 05 ), which are also preferably coil systems ( 16 ), which enable the arrangement to classify different or multiple defects simultaneously. By correlating the force and voltage signals between the various magnet systems, potential ambiguities in the localization of defects can be avoided. The evaluation of the force signals takes place in each case in the central evaluation and control unit ( 08 ).

Ein nachgeschaltetes Markiersystem (06) dient zur Kennzeichnung des Prüfobjektes (01) an entsprechender Stelle. Dabei lässt die Art der Markierung Rückschlüsse auf den Charakter des lokalisierten Defektes zu. Die Steuerung des Markiersystems (06) erfolgt ebenfalls mit der zentralen Auswerte- und Steuereinheit (08).A downstream marking system ( 06 ) serves to identify the test object ( 01 ) in the appropriate place. The type of marking allows conclusions to be drawn about the character of the localized defect. The control of the marking system ( 06 ) also takes place with the central evaluation and control unit ( 08 ).

Die Vorteile der Erfindung liegen in der Möglichkeit der Lokalisierung möglicher Anomalien im Prüfobjekt (01) mit der vorgeschalteten statischen Magnetfeldquelle (02), die das Prüfobjekt (01) umschließt. Mit den nachgeschalteten Magnetsystemen können genauere Analysen und Klassifizierungen der Anomalien realisiert werden. Dabei ermöglicht die Kombination aus Permanentmagneten und weichmagnetischen Werkstoffen wesentlich kompaktere und leichtere Magnetsysteme, insbesondere zur Detektion von ausgesprochen kleinen Strukturen. Ein aufwändiges Scannen des gesamten Prüfkörpers kann somit vermieden werden.The advantages of the invention lie in the possibility of localization of possible anomalies in the test object ( 01 ) with the upstream static magnetic field source ( 02 ), which the test object ( 01 ) encloses. With the downstream magnet systems more accurate analyzes and classifications of the anomalies can be realized. The combination of permanent magnets and soft magnetic materials enables much more compact and lighter magnet systems, in particular for the detection of extremely small structures. Extensive scanning of the entire specimen can thus be avoided.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise in Kombination mit dem in der DE 102011056650 A1 vorgestellten Verfahren zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des Prüfkörpers erweitert werden, deren Offenbarungsgehalt insoweit durch Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht wird.The inventive method can, for example, in combination with that in the DE 102011056650 A1 presented methods for determining the electrical conductivity of the test specimen are extended, the disclosure of which is made in this respect by reference to the content of the present description.

Weiterhin kann das vorgestellte Verfahren um das Prinzip der differentiellen Messung nach WO 2014037388 A1 erweitert werden. Dazu können die Magnetfeldquelle (02), die das Prüfobjekt (01) zumindest teilweise umgibt, sowie die nachgeschalteten Magnetsysteme (04) und (05) mit Empfängerspulen (13, 14 und 15) umwickelt werden. Im Fall einer Anomalie kann die zeitliche Änderung des magnetischen Feldes detektiert werden. Die Signale werden in Zusammenhang mit den gemessenen Kraftkomponenten F_x, F_y und F_z in der zentralen Auswerte- und Steuereinheit (08) analysiert und bewertet.Furthermore, the presented method according to the principle of differential measurement after WO 2014037388 A1 be extended. For this purpose, the magnetic field source ( 02 ), which the test object ( 01 ) at least partially surrounds, and the downstream magnet systems ( 04 ) and ( 05 ) with receiver coils ( 13 . 14 and 15 ) are wrapped. In the case of an anomaly, the temporal change of the magnetic field can be detected. The signals will be in connection with the measured force components F _x , F _y and F _z in the central evaluation and control unit ( 08 ) analyzed and evaluated.

Als Prüfobjekte können neben axialsymmetrischen Aufbauten auch kantige Objekte und Flüssigkeiten untersucht werden, wobei die konkrete Geometrie der vorgeschalteten Magnetfeldquelle (02) sowie die Lokalisierungsroutinen in der Auswerte- und Steuereinheit (08) in diesem Fall dementsprechend angepasst werden müssen.As well as axially symmetric structures, edged objects and liquids can also be examined as test objects, whereby the concrete geometry of the upstream magnetic field source ( 02 ) as well as the localization routines in the evaluation and control unit ( 08 ) must be adjusted accordingly in this case.

Potentielle Anwendungsgebiete liegen in der allgemeinen Überwachung der Werkstoffeigenschaften von elektrisch leitfähigen Halbzeugen wie sie zum Beispiel in Gieß- und Walzlinien zum Einsatz kommen. Des Weiteren ist die Analyse von Rohren und Rohrschweißlinien zur Überprüfung der Schweißqualität möglich. Die Kontrolle der Geometrie des Prüfkörpers wie zum Beispiel die der Rohrwandstärke kann ebenfalls erfolgen. Weitere Beispiele zur Anwendung liegen in der Prüfung von Endlos-Drahtlinien, Ziehlinien, Umspulern und in der Produktion von Ventilfedern.Potential application areas are the general monitoring of the material properties of electrically conductive semi-finished products such as those used in casting and rolling lines. Furthermore, the analysis of pipes and pipe welding lines to check the welding quality is possible. The control of the geometry of the specimen such as the pipe wall thickness can also be done. Further examples of application are the testing of endless wire lines, drawing lines, rewinders and in the production of valve springs.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

0101: Prüfobjekt aus elektrisch leitfähigem MaterialTest object made of electrically conductive material
0202: statische Magnetfeldquellestatic magnetic field source
0303: Positioniereinheit mit KraftmesseinheitPositioning unit with force measuring unit
0404: positionierbares erstes Magnetsystempositionable first magnet system
0505: positionierbares zweites Magnetsystempositionable second magnet system
0606: Markiersystemmarking System
0707: Oberflächendefektsurface defect
0808: Auswerte- und SteuereinheitEvaluation and control unit
0909: tief liegender Defektdeep lying defect
1010: radial magnetisierter segmentierter Außenringradially magnetized segmented outer ring
1111: axial magnetisiertes zylinderförmiges Segmentaxially magnetized cylindrical segment
1212: ferromagnetisches zylinderförmiges Segment mit hoher Sättigungsmagnetisierungferromagnetic cylindrical segment with high saturation magnetization
1313: Spulensystem um Magnetfeldquelle 02 Coil system around magnetic field source 02
1414: Spulenarray an Magnetfeldquelle 02 Coil array to magnetic field source 02
1515: Spulensystem um Magnetsystem 04 Coil system around magnet system 04
1616: Spulensystem um Magnetsystem 05 Coil system around magnet system 05

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2007/053519 [0006]
DE 102011056650 A1 [0008, 0028]
WO 2014037388 A1 [0009, 0029]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Article "From Fifteen to Two Hundred NDT Methods in Fifty Years" by T. Aastroem (17th World Conference on Nondestructive Testing, 2008) [0003]
"Handbook of nondestructive evaluation" by Charles Hellier (McGraw-Hill, New York, 2003) [0003]
"Deep Penetrating Eddy Currents and Probes", Mook, H., Hesse, O., and Uchanin, V., 9th European Conference on Nondestructive Testing, 2006 [0004]
Article "Lorentz force eddy current testing: a novel NDE technique" by H. Brauer et al. (COMPEL - The international journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering, vol. 33, no. 6, pp. 1965-1977, 2014) [0007]

Claims

Sensor unit for detection and localization of anomalies ( 07 . 09 ) in test objects of electrically conductive material ( 01 ) comprising: a static magnetic field source ( 02 ) and • a first magnet system ( 04 ), consisting of an axially magnetized cylindrical segment ( 11 ) and a ferromagnetic cylindrical segment ( 12 ), which has a high saturation magnetization, wherein the segments ( 11 ) and ( 12 ) of radially or diametrically magnetized segments ( 10 ) are surrounded.

Sensor unit according to claim 1, characterized in that the static magnetic field source ( 02 ) is a permanent magnet with axial or radial magnetization direction.

Sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that the static magnetic field source ( 02 ) the test object made of electrically conductive material ( 01 ) at least partially surrounds.

Sensor unit according to one of the preceding claims characterized in that the static magnetic field source ( 02 ) a first outer coil system ( 13 ) and / or a second inner coil array ( 14 ), wherein the coil axes of the second coil array ( 14 ) perpendicular to the coil axis of the first coil system ( 13 ) are arranged.

Sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that the first magnet system ( 04 ) with a receiver coil ( 15 ) is wrapped.

System for the detection and localization of anomalies ( 07 . 09 ) in test objects of electrically conductive material ( 01 ) with at least one sensor unit according to one of the preceding claims, at least one positioning and force measuring unit ( 03 ), at which the first magnet system ( 04 ), and an evaluation and control unit ( 08 ).

System according to claim 6, characterized in that it comprises at least one second magnet system ( 05 ) for the classification of anomalies ( 07 . 09 ), which on a second positioning unit ( 03 ) is attached.

System according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a marking system ( 06 ) for identifying the anomalies.

Method for the detection and localization of anomalies ( 07 . 09 ) in test objects of electrically conductive material ( 01 ) using a sensor unit according to one of claims 1 to 5 and / or using a system according to one of claims 6 to 8, comprising the following steps: positioning the sensor unit in the vicinity of a surface of the test object made of electrically conductive material ( 01 ) such that one of the static magnetic field source ( 02 ) penetrates the test object; Generating a relative movement between the sensor unit and the test object made of electrically conductive material ( 01 ); • detecting the on the static magnetic field source ( 02 ) Acting Lorentz force components F _x, F _y and F _z, and / or the induced voltage U and • detecting and locating anomalies in the test object by applying appropriate evaluation methods.

A method according to claim 9, characterized in that the detected and localized anomalies with the aid of the second magnetic systems 05 be classified.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the detected and localized anomalies with the aid of the marking system ( 06 ) on the surface of the test object according to their classification.