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Die
Erfindung betrifft einen Wirbelstromsensor zum Detektieren von Defekten
in einem Prüfling
in Form eines Rohres aus elektrisch leitfähigem Material, das eine Mittelachse
aufweist, wobei der Wirbelstromsensor zum Bewegen innerhalb des
Rohres in einer Richtung parallel zur Rohrmittelachse ausgebildet
ist, wobei der Wirbelstromsensor ein Gehäuse mit einer Gehäusemittelachse
umfaßt,
der Wirbelstromsensor eine Vielfachspuleneinheit umfaßt mit einer
ersten Spule und mit zwei identischen, in gleichem Abstand zu der
ersten Spule positionierten, und relativ zueinander in entgegengesetzte
Richtungen elektromagnetisch gepolten zweiten Spulen, wobei der
Wirbelstromsensor eine Sendererregungseinheit und eine Abtastempfängereinheit umfaßt.
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Das
Verfahren der Wirbelstromprüfung
ist ein zerstörungsfreies
Prüfverfahren
zum Detektieren von Defekten oder Rissen in Rohren und basiert darauf,
daß in
dem zu prüfenden
Material elektrische Ströme
induziert werden und die Wechselwirkung zwischen diesen Strömen und
dem Material beobachtet wird. Das Prüfverfahren umfaßt die Benutzung
einer Sendespule, durch die ein Strom fließt, um einen magnetisch induzierten
Strom (einen Wirbelstrom) im Prüfling
zu erzeugen. Der Fluß der
Wirbelströme
wird in Bereichen, die Defekte oder Verformungen aufweisen, verzerrt.
Derartige Wirbelströme
wiederum induzieren in einer nahegelegenen Empfängerspule einen Strom, der
dann zur Bestimmung des Vorliegens von Defekten im Rohr benutzt
wird. Da dieses Prüfverfahren
einen elektromagnetischen Induktionsprozeß darstellt, ist ein direkter
elektrischer Kontakt mit dem Prüfling
nicht erforderlich; der Prüfling
muß jedoch
elektrisch leitfähig
sein.
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Bei
der Untersuchung auf Defekte wird ein maximales Ansprechen erzielt,
wenn die Defekte senkrecht zum Fluß der Wirbelströme ausgerichtet
sind.
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Wenn
die Wirbelströme
parallel zu einem Defekt fließen,
ergibt sich eine geringe Verzerrung der Wirbelströme und es
wird ein minimales Ansprechen erzielt. Somit wäre es schwierig, derartige
Defekte zu detektieren. Ein konventioneller Innenumfangssensor (d.h.
ein Sensor mit einer Kernspule) induziert einen Wirbelstromfluß parallel
zu den Windungen einer Spule und deshalb in Umfangsrichtung. Somit
werden in Umfangsrichtung ausgerichtete Defekte, die parallel zur
Strömungsrichtung
derartiger Wirbelströme
verlaufen, nicht aufgespürt.
Die Orientierung eines Defektes relativ zu den Spulen des Sensors
beeinflußt
somit den Grad der Empfindlichkeit des Sensors für den Defekt.
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Das
Erkennen von in Umfangsrichtung verlaufenden Rissen ist eines der
schwierigsten Untersuchungsprobleme des Wirbelstromprüfverfahrens.
Konventionelle Wirbelstromprüfverfahren
haben eine geringe Empfindlichkeit für in Umfangsrichtung verlaufende
Risse und können
nicht dazu verwendet werden, Rißtiefen
verläßlich abzuschätzen. Es
ist ein anerkanntes Problem, daß die
verläßliche Detektion
und Größenbestimmung
von in Umfangsrichtung verlaufenden Rissen, Abnutzungen, nahe der
Oberfläche
gelegenen internen Defekten usw. noch durch die Tatsache erschwert
wird, daß diese
häufig
in defektanfälligen
Bereichen auftreten, wie z.B. unter Rohrplatten oder Halteplatten
und in Übergangsbereichen
gerippter Rohre. In derartigen Fällen
erzeugen die strukturellen Besonderheiten, die das untersuchte Rohr
umgeben, deutliche Abweichungen in den Ausgangssignalen und machen
dadurch die Detektion von Defekten sehr schwierig, wenn nicht gar unmöglich. Außerdem treten
in Umfangsrichtung verlaufende Risse für gewöhnlich in defektanfälligen Bereichen,
wie z.B. unter Halteplatten oder an U-förmigen Krümmungen, auf, an denen die
Rohre oft verformt sind, wodurch die Untersuchung erschwert wird.
Weltweit sind öffentliche
Versorgungsunternehmen, insbesondere Energieversorgungsunternehmen,
in Rohranlagen von Dampfgeneratoren auf in Umfangsrichtung verlaufende Risse
gestoßen;
es ist ein bedeutendes Untersuchungsproblem.
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Verschiedene
Sensoren wurden zur Untersuchung zylinderförmiger oder rohrförmiger Komponenten vorgeschlagen.
Derartige Sensoren wurden beispielsweise in der
US-PS 3 952 315 , in der
US-PS 4 808 924 und in der
US-PS 4 808 927 beschrieben, auf
die hiermit inhaltlich Bezug genommen wird.
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Der
in der
US-PS 4 808 927 offenbarte
Sensor umfaßt
eine Sendespule in Form einer Induktionsspule mit einem Spulenkern
in Verbindung mit einer als Flachspule ausgebildeten Empfängerspule.
Entsprechend fließen
die vom Sensor erzeugten Wirbelströme in Umfangsrichtung, und
deshalb kann eine derartige Probe in Umfangsrichtung verlaufende
Defekte nicht detektieren.
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Der
in der
US-PS 4 808 924 offenbarte
Sensor verwendet in sich geschlossene, vorzugsweise ringförmige Bänder aus
mehreren Sende- und Empfängerspulen
in Form von Flachspulen zum Detektieren lokalisierter Defekte, einschließlich in
Umfangsrichtung verlaufender Risse, in einem Rohr. Dieser Sensor
detektiert jegliche Defekte einschließlich Defekte unter Halteplatten
als ein Resultat der "umfangsmäßigen Kompensation", die durch die Orientierung
der Sensorspulen erzielt wird. Mit anderen Worten, konzentrische
Veränderungen oder
graduelle Abweichungen in Umfangsrichtung werden im Ausgangssignal
unsichtbar gemacht (oder kompensiert). Außerdem werden die Spulenbänder um
die Mittelachse des Rohres rotiert, um eine 100 %ige Überdeckung
der Rohroberfläche
zu erreichen. Die Spulen des in der
US-PS
4 808 924 beschriebenen Sensors sind so angeordnet, daß in erster
Linie ein absolutes Ausgangssignal ausgegeben werden kann. Solch
ein absolutes Ausgangssignal des Sensors erschwert jedoch die Detektion
kleiner Risse jeglicher Orientierung in Bereichen, die Rohrverformungen
beinhalten, oder bei der Anwesenheit von Ablagerungen (z.B. Kupfer). Überdies
wurde nun festgestellt, daß einige
dieser Schwierigkeiten das Resultat einer Interferenz sind, die
von einer Sendespule in benachbarten Empfängerspulen in unterschiedlichem
Abstand verursacht wird. Diese Feststellung führte zu der Erkenntnis, daß die Amplitude
und die Phase des Ausgangssignals einer Empfängerspule eine Funktion des
Quadrates des Abstandes zwischen solch einer Spule und einer Sendespule
sind. Wenn dementsprechend der Strom in einer Empfängerspule
von verschiedenen Sendespulen in unterschiedlichem Abstand erzeugt
wird, kann das resultierende Ausgangssignal nicht exakt analysiert
werden. Hinzu kommt, daß die
kompensierende Ausgestaltung des Sensors die Analyse des Ausgangssignales
erschwert. Außerdem
ermöglicht
der in dieser Patentschrift beschriebene Sensor eine 100 %ige Überdeckung
für in
Umfangsrichtung verlaufende Risse, während Risse in axialer Richtung
nur zu 50 % überdeckt
werden.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Wirbelstromsensor so auszubilden,
daß damit die
mit vorbekannten Sensoren verbundenen Nachteile überwunden werden.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Wirbelstromsensor der eingangs beschriebenen
Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
zwei identischen Spulen aus der Mittelachse der Vielfachspuleneinheit
um einen selben Winkel verschoben sind, daß eine die Mittelpunkte der
identischen Spulen miteinander verbindende Achse parallel zur Bewegungsrichtung
des Wirbelstromsensors ausgerichtet ist, daß die Sendererregungseinheit
entweder an die erste Spule oder an die zweiten Spulen gekoppelt
ist zur Erregung dieser Spule bzw. Spulen, um im Prüfling Wirbelströme zu erzeugen,
und daß die
Abtastempfängereinheit
an die nicht mit der Sendererregungseinheit verbundene erste Spule
oder zweiten Spulen gekoppelt ist zum Aufspüren eines Stromes, der in der
Spule bzw. in den Spulen erzeugt wurde, um Verzerrungen in den Wirbelströmen aufzuspüren und
um ein das Vorliegen von Defekten im Prüfling anzeigendes Ausgangssignal
zu erzeugen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung zum Detektieren von Defekten in einem Prüfling in Form
eines eine Mittelachse aufweisenden und aus elektrisch leitfähigem Material
hergestellten Rohres umfaßt
ein in sich geschlossenes, vorzugsweise ringförmiges Band oder eine Schleife
von Vielfachspuleneinheiten, wobei das Band in einer Ebene senkrecht
zur Mittelachse des Rohres positioniert ist.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist
der Wirbelstromsensor eine Vielzahl von Bändern von Vielfachspuleneinheiten
auf. Dabei sind die Bänder
koaxial zur Mittelachse des Rohres und in gegenseitigem Abstand
zueinander entlang der Mittelachse angeordnet.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
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1: eine graphische Darstellung
des Zusammenhanges zwischen der Empfindlichkeit von Spulen und der
Defektorientierung;
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2: eine Anordnung eines
vorbekannten, in Umfangsrichtung kompensierenden Wirbelstromsensors;
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3: eine vereinfachte Draufsicht
der Spulenanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4a: eine vereinfachte Draufsicht
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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4b: die elektrischen Schaltungen
des in 4a gezeigten
Sensors;
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4c: eine Schnittansicht
des Sensors gemäß der in 4a gezeigten Ausführungsform
der Erfindung;
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5: eine Schnittansicht eines
Rohres, das gerade untersucht wird;
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6: eine vereinfachte Draufsicht
einer Spulenanordnung entsprechend einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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7: eine perspektivische
Ansicht eines Sensors entsprechend der in 6 gezeigten Ausführungsform der Erfindung;
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8: die elektrischen Schaltungen
der in den 6 und 7 gezeigten Spulenanordnung;
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9: eine vereinfachte Draufsicht
einer Spulenanordnung entsprechend einer anderen Ausführungsform
der Erfindung und
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10a bis 10e: vereinfachte Draufsichten weiterer
Ausführungsformen
der Erfindung.
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Wie
bereits diskutiert, müssen
die Spulen eines Wirbelstromsensors Ströme in einem Winkel zu einem Defekt
erzeugen, damit solch ein Defekt detektiert werden kann. 1 zeigt den Zusammenhang
zwischen dem resultierenden Signal eines Sensors und der Orientierung
eines Defektes 10. Wie aus der Figur deutlich wird, kann
der Sensor Defekte, die sich parallel zur Strömungsrichtung der mit Hilfe
einer Sendespule T erzeugten Wirbelströme 12 erstrecken (d.h. ϑ =
90°), praktisch
nicht erkennen.
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Die
2a und
2b zeigen eine vorbekannte Sensoranordnung,
wie sie in der
US-PS 4 808 924 beschrieben
ist. Diese Ausführungsform
des Sensors besteht aus in sich geschlossenen, vorzugsweise ringförmigen Bändern
14 von
als Flachspulen ausgebildeten Sendespulen T und Empfängerspulen
R. Wie bereits erwähnt,
liegt einer der Nachteile dieser Sensorgestaltung in der Tatsache,
daß dieser
Sensor in erster Linie ein absolutes Signal liefert. Wenn die Spulenbänder enger
zusammengebracht werden, um ein differentielles Ausgangssignal zu
erzielen, dann werden die Empfängerspulen
von den Wirbelströmen
beeinflußt,
die von den angrenzenden Sendespulen in unterschiedlichen Abständen (z.B.
d1 und d2) erzeugt werden. Diese Anordnung verursacht in den resultierenden
Ausgangssignalen Verzerrungen, wodurch das Untersuchungsverfahren
erschwert wird. In diesen Figuren und in den folgenden bezeichnen
die Plus- und Minuszeichen die Polaritäten der Spulen.
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3 zeigt die vorliegende
Erfindung. Ein erfindungsgemäßer Sensor
umfaßt
Vielfachspuleneinheiten 18, die jeweils aus einer Sendespule
T und einem Paar von Empfängerspulen
R bestehen. Da ein Paar von Empfängerspulen
entgegengesetzter Polarität
zusammen mit einer Sendespule verwendet wird, ist es möglich, ein
differentielles Ausgangssignal zu erhalten. Um solch ein differentielles
Ausgangssignal zu erzielen, sollte die Bewegungsrichtung des Sensors
parallel zu einer die Mittelpunkte der Empfängerspulen miteinander verbindenden
Achse ausgerichtet sein. Die Empfängerspulen sind in gleichen
Abständen
von der Senderspule positioniert und aus einer Mittelachse 16 um
dieselben Winkel γ verschoben,
wodurch ermöglicht
wird, daß jede
Empfängerspule
trotz entgegengesetzer Polarität
gleiche Ausgangssignale produziert. Alternativ dazu kann der Sensor
in einer anderen Ausführungsform
Vielfachspuleneinheiten umfassen, die eine Empfängerspule und ein Paar von
Sendespulen aufweisen.
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Diese
Anordnung der Sende- und Empfängerspulen
reduziert außerdem
die Empfindlichkeit des Sensors auf Verformungen (einschließlich Ablagerungen
von Verunreinigungen), wodurch ein besser unterscheidbares Ausgangssignal
für Defekte
herausgegeben wird. Außerdem
bleiben aufgrund der differentiellen Beschaffenheit des Sensors
große
Ablagerungen von Verunreinigungen im wesentlichen undetektiert,
während kleine
lokalisierte Defekte ohne weiteres in Bereichen relativ großer leitfähiger oder
ferromagnetischer Ablagerungen detektiert werden.
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4a zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor,
der ein Band 20 von Vielfachspuleneinheiten umfaßt. Bei
der gezeigten Ausführungsform
bestehen die Bänder
aus zwei Vielfachspuleneinheiten, die jeweils einen Sender und zwei
Empfänger
aufweisen. 4b zeigt
die elektrischen Schaltungen der in 4a gezeigten Spulenbänder. Die
Sendespulen T sind an ein Wechselspannungsnetzgerät 22 angeschlossen,
und die Empfängerspulen
R1 und R2 sind an
ein Spannungsmeßinstrument 24 angeschlossen,
das die in den Empfängerspulen
erzeugte Spannung mißt,
wie sie von den Sendespulen induziert wird. Die Empfängerspulenpaare
entgegengesetzter Polarität
werden in Reihe geschaltet, so daß sie ein differentielles Ausgangssignal
liefern.
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Wie
oben erwähnt,
bezeichnen die Plus- und Minuszeichen die Polaritäten der
Spulen. Die Spulenpolarität
kann entweder durch die Richtung der Spulenwindungen gewählt werden
oder durch die elektrischen Verbindungen zwischen den Spulen. Anstatt
also eine Anordnung zu bilden, bei der die Spulen relativ zueinander
in entgegengesetzte Richtungen gewickelt sind, können auch die elektrischen
Anschlüsse
unter Beibehaltung einer Reihenschaltung vertauscht werden, um denselben
Effekt hervorzurufen. Außerdem
sollte betont werden, daß der
Sensor dieselbe Wirkung zeigt, wenn ein Wechselspannungsnetzgerät an die
Empfängerspu len
und ein Spannungsmeßinstrument
an die Sendespulen angeschlossen wird (sofern die Eingangsimpedanzen
des Meßinstrumentes
angepaßt
werden).
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4c zeigt die Anordnung der
in 4a gezeigten Spulenbänder auf
dem Sensor. Der Sensor 26 besteht aus einem Gehäuse 28,
um das herum die Spulen T und R befestigt sind. In der gezeigten
Ausführungsform
umfaßt
der Sensor ein Band, das zwei Sendespulen und zwei Empfängerspulenpaare
(d.h. zwei Vielfachspuleneinheiten) aufweist. Wie in der 4c dargestellt, sind diese
Spulen im rechten Winkel zueinander um den Sensor herum angeordnet.
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Wie
in 5 dargestellt, ist
der Sensor 21 so ausgebildet, daß er innerhalb eines zu untersuchenden Rohres 23 bewegt
werden kann. Solch eine Bewegung erfolgt für gewöhnlich entlang der Mittelachse
des Rohres. Wie bereits erwähnt,
sind die Empfängerspulen
des Sensors so angeordnet, daß eine
die Mittelpunkte der Spulen miteinander verbindende Achse parallel
zur Bewegungsrichtung des Sensors verläuft. In dieser Figur sind außerdem verschiedene
Rohrdefekte dargestellt, wie z.B. in Umfangsrichtung verlaufende
Risse 25, axiale Risse 27 und Löcher 29 (d.h.
Veränderungen
in der Dicke der Probe).
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Defekte
können
nur aufgespürt
werden, wenn der Wirbelstromfluß unterbrochen
wird. Kleine Flächen des
sich in Untersuchung befindenden Rohres jedoch, die sich direkt
unterhalb der Mittelpunkte der Spulen befinden, bleiben undetektiert,
da die Spannung, die in den Empfängerspulen
durch diese Ströme
induziert wird, minimal ist. Aus diesem Grund wird die in den 6 und 7 dargestellte Ausführungsform vorgeschlagen, bei
der der Sensor aus zwei Bändern 30 und 32 von
Sendespulen T und Empfängerspulen
R1 und R2, R3 und R4 besteht.
Wie ebenfalls in den 6 und 7 gezeigt, ist eines der
Bänder, 32,
um 45° um
die Rohrachse gedreht, so daß die
Spulen des Bandes 32 in Umfangsrichtung in Höhe der Mittelpunkte
der Spulen des Bandes 30 positioniert sind. 7 zeigt die Anordnung der
beiden Spulenbänder
auf einem Sensor 34 mit einer Mittelachse 36,
wobei die Spulen jedes Bandes um das Sensorgehäuse in einem gegenseitigen
Abstand von 90°, wie
bereits in 4 dargestellt,
angeordnet sind. Dadurch, daß ein
Band relativ zum anderen verdreht ist, ist die Überdeckung des zu untersuchenden
Rohres in einem einzigen Durchlauf des Sensors erhöht aufgrund der
Reduzierung der vom Sensor nicht detektierten Flächen (d.h. der unter den Spulen
des ersten Bandes gelegenen Flächen).
In dieser Ausführungsform
sind die Bänder
durch einen Abstand d voneinander getrennt, wodurch verhindert wird,
daß die
Sendespulen des einen Bandes die Empfängerspulen des anderen Bandes beeinflussen.
Die Empfängerspulenpaare
jeder Vielfachspuleneinheit sind parallel zur Bewegungsrichtung
des Sensors ausgerichtet. Für
gewöhnlich
bewegt sich der Sensor in eine Richtung parallel zu seiner Mittelachse; somit
sind die Empfängerspulen
parallel zu solch einer Achse ausgerichtet.
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8 zeigt die elektrischen
Schaltungen der in der 6 dargestellten
Spulen. Jedes Empfängerspulenpaar
eines jeden Bandes ist an ein separates Spannungsmeßinstrument 38 angeschlossen,
und die Sendespulen sind an ein einziges Wechselspannungsnetzgerät 40 angeschlossen.
Auf diese Weise können
die Ausgangssignale der Empfängerspulenpaare
R des Sensors auf separaten Kanälen
(wie durch die Nummer des tiefgestellten Indexes angegeben) abgelesen
werden, wodurch eine bessere Trennung von Defekten ermöglicht wird.
Die dargestellte Ausführungsform
zeigt somit einen Vier-Kanal-Sensor.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
können
die in 8 dargestellten
Sendespulen an separate Wechselspannungsnetzgeräte angeschlossen werden oder
an ein einzelnes Netzgerät,
wobei das System dann zusätzliche
Schalter umfaßt.
Bei einer solchen Ausführungsform
ist es möglich,
alternierende Sendespulen zu ver schiedenen Zeiten auszuschalten;
dies führt
zu einer weiteren Trennung von Defekten. Eine derartige Anordnung
würde deshalb
einen Acht-Kanal-Sensor ergeben.
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Es
ist bekannt, daß hohe
Untersuchungsfrequenzen auf Rohraufweitungen empfindlich sind (d.h.
auf einen ungleichmäßigen Innendurchmesser
des Rohres), während
niedere Untersuchungsfrequenzen sehr empfindlich sind auf das Vorliegen
von Rohrplatten und Halteplatten. Dazwischenliegende Untersuchungsfrequenzen
sind auf Defekte, Halteplatten und Rohraufweitungen empfindlich.
Bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung können
deshalb die Sendespulen an separate Netzgeräte angeschlossen werden, wobei jedes
Netzgerät
Ströme
bei unterschiedlichen Frequenzen erzeugt.
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9 zeigt eine weitere Ausführungsform
der Erfindung, in der vier Spulenbänder verwendet werden. Die
Sendespulen sind in Reihe an ein einzelnes Netzgerät angeschlossen,
während
jedes Empfängerspulenpaar
(R1 bis R8) an ein
separates Spannungsmeßinstrument
angeschlossen ist; dadurch ergibt sich ein Acht-Kanal-Sensor. Solch
eine Anordnung erlaubt eine verbesserte Lokalisierung von Defekten.
Die Spulenbänder
dieser Ausführungsform
sind außerdem
relativ zueinander verdreht, so daß die bei einem einzigen Durchlauf
des Sensors untersuchte Fläche
maximiert wird.
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Die
10a bis
10e zeigen weitere verschiedene Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Diese werden wie folgt zusammengefaßt:
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In
der obigen Tabelle verweist der Winkelabstand (S) auf die Anordnung
der Spulen entlang des Umfanges des Sensorgehäuses, und der Winkel (ϑ)
verweist auf den Winkel, der durch eine die Mittelpunkte der Sendespule
und einer Empfängerspule
miteinander verbindende Linie und die die Einheit aufteilende Mittelachse
(wie in den Figuren dargestellt) gebildet wird.
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Wie
in 10 dargestellt, kann
der Winkel (ϑ) zwischen der Mittelachse der Vielfachspuleneinheit
und der die Sendespule mit der Empfängerspule verbindenden Linie
verändert
werden. Auf diese Weise ist es möglich,
einen Sensor zu gestalten, der empfindlicher ist entweder auf axiale
oder auf in Umfangsrichtung verlaufende Defekte. Zum Beispiel ergibt
ein Winkel (ϑ) von weniger als 45° einen Sensor, der empfindlicher
auf in Umfangsrichtung verlaufende Defekte ist, während der
Sensor bei einem Winkel (ϑ) von mehr als 45° empfindlicher
auf axiale Defekte wäre.
Dies ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß die Wirbelströme in eine
Richtung fließen
senkrecht zu der die Spulen miteinander verbindenden Linie. Es ist
verständlich,
daß ein
Winkel (ϑ) von 45° einen
Sensor ergeben würde,
der gleich empfindlich ist für
beide Defektorientierungen.
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Für gewöhnlich wäre der Winkel
(ϑ) geringer als 90° und
läge typischerweise
zwischen 15° und
30° zum
Untersuchen von Rohren auf in Umfangsrichtung verlaufende Risse.
Der Sensor würde
zwei Spulenbänder
erfordern für
eine 100 %ige Überdeckung
des Rohres. Der Abstand zwischen der Sende- und den Empfängerspulen
beträgt
idealerweise ungefähr
7 mm. Es sind Sensoren möglich,
deren Bänder
aus 2, 3 oder 4 Vielfachspuleneinheiten bestehen.
