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Die
Erfindung betrifft ein Gerät
zur zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung.
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Die
Werkstoffprüfung
stellt eine zentrale Maßnahme
zur Qualitätssicherung
im Zusammenhang mit modernen Fertigungsmethoden dar. Bei neuen Bauteilen,
Werkstoffen oder Fertigungsverfahren ist eine Überprüfung geforderter Materialeigenschaften
ebenso unerlässlich
wie in der laufenden Produktion bewährter Produkte, da jedes Fertigungsverfahren
eine gewisse Fehlerquote mit sich bringt. Neben der zerstörenden Werkstoffprüfung, bei
der das Werkstück
beschädigt
wird und die daher nur für Stichproben
geeignet ist, hat insbesondere die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung Bedeutung.
Diese hat den Vorteil, dass das geprüfte Werkstück nach der Prüfung unbeschädigt ist
und weiterverwendet werden kann. Zum einen werden hierdurch Kosten
eingespart, zum anderen ist es möglich,
die Qualität
eines bestimmten Werkstücks
zu prüfen,
welches danach tatsächlich
verwendet wird.
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Eine
mögliche
Schwachstelle von Werkstücken
sind Risse im Material. Anfangs können derartige Risse Abmessungen
von wenigen Mikrometern haben, womit sie mit bloßem Auge nicht zu erkennen sind.
Gleiches gilt für
Risse, die unter der Oberfläche des
Werkstücks
liegen. Ein bewährtes
Verfahren, mit dem sich auch solche kleinen oberflächlichen
oder wenigstens oberflächennahen
Risse in ferromagnetischen Stoffen entdecken lassen, ist die Magnetpulverprüfung.
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Hierbei
wird das zu prüfende
Werkstück
wenigstens in einem Teilbereich magnetisiert. Die magnetischen Feldlinien
verlaufen hierbei im Bereich der Oberfläche des Werkstücks im Wesentlichen
unter der Oberfläche
und parallel zu dieser. Weist das Werkstück jedoch einen Riss auf, so
werden die Feldlinien aufgrund der viel geringeren magnetischen Permeabilität des dort
vorhandenen Mediums (typischerweise Luft) aus dem Riss verdrängt und
treten aus der Oberfläche
aus. Um diese Streufelder sichtbar zu ma chen, wird auf die Oberfläche des
Werkstücks
eingefärbtes
Eisenpulver aufgebracht. Dieses kann fluoreszierend eingefärbt sein
oder aber in einer Farbe, die zur jeweiligen Oberfläche kontrastiert
(z. B. schwarz auf weiß).
Ggf. muss die Oberfläche
hierfür
ebenfalls eingefärbt
werden. Das Aufbringen kann entweder in einem Nassverfahren, mit Öl oder Wasser
als Pulverträger,
oder auch trocken erfolgen. Durch die an Rissen aus der Oberfläche austretenden
Magnetfeldlinien kommt es zu einer Ansammlung der Eisenpartikel,
die auch mit bloßem
Auge sichtbar ist. Hierbei werden fluoreszierende Partikel mittels
UV-Bestrahlung besser sichtbar gemacht.
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Nach
dem Stand der Technik wird zur Magnetisierung des Werkstücks entweder
ein Elektromagnet oder ein Permanentmagnet eingesetzt. In beiden
Fällen
muss der Magnet praktisch unmittelbar auf die Oberfläche des
Werkstücks
aufgesetzt werden, da auch Abstände
von wenigen Millimetern dazu führen,
dass ein Teil der Feldlinien nicht ins Werkstück eindringt, wodurch das Prüfergebnis
deutlich beeinträchtigt
wird. Die beiden genannten Vorrichtungen haben jedoch erhebliche
Nachteile. Permanentmagnete, die eine zur Durchführung des Verfahrens hinreichende
Feldstärke
liefern, entwickeln in unmittelbarer Nähe des Werkstücks Anziehungskräfte bis zu über 100
N, womit ein kontrolliertes Aufbringen auf die Oberfläche des
Werkstücks
und insbesondere ein Abziehen nach dem Ende des Prüfvorgangs
nahezu unmöglich
sind. Schlimmstenfalls kann es hier sogar zu Beschädigungen
der Oberfläche
kommen. Zu bedenken ist auch, dass die Handhabung eines starken Permanentmagneten
generell Probleme mit sich bringt, wie z. B. ungewollte Anziehung
in der Nähe befindlicher
Gegenstände
oder Beeinträchtigung
von magnetischen Speichermedien wie Scheckkarten.
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Mittels
eines Elektromagneten kann das benötigte Magnetfeld zwar prinzipiell
in einem weiten Bereich eingestellt und vor allem je nach Bedarf
ein- und ausgeschaltet werden. Jedoch sind zur Erzeugung der notwendigen
Feldstärken
vergleichsweise starke Ströme
erforderlich, was wiederum zu entsprechenden Wirkleistung führt. Daher
sind solche Geräte
nur mittels Netzversorgung betreibbar, was ihre Einsatzmöglichkeiten
stark einschränkt.
Zum einen sind nur Einsatzorte mit passender Spannungsversorgung
möglich,
zum anderen ist das Gerät durch
das Netzkabel schlechter handhabbar.
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Vor
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein Gerät für die Magnetpulverprüfung zur Verfügung zu
stellen, das sich einfach handhaben lässt.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Gerät
zur zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung
nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 17. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Das
erfindungsgemäße Gerät umfasst
hierbei eine Magnetisieranordnung, die zwischen einer Aktivstellung
und einer Passivstellung verstellbar ist. Der Begriff „Magnetisieranordnung” bezeichnet
hierbei eine Anordnung, die dazu ausgelegt ist, ein ferromagnetisches
Material zu magnetisieren, die also in der Lage ist, ein äußeres Magnetfeld
zu erzeugen. Als äußeres Magnetfeld
wird hierbei ein Magnetfeld bezeichnet, das wenigstens bereichsweise
aus der Magnetisieranordnung austritt und somit außerhalb derselben
magnetische Wechselwirkungen hervorruft.
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Die
Magnetisieranordnung umfasst hierbei wenigstens ein magnetisierbares
Element sowie wenigstens einen Permanentmagneten. Als magnetisierbares
Element wird hierbei jedes Bauteil bezeichnet, das wenigstens teilweise,
bevorzugt vollständig ferromagnetisch
oder ferrimagnetisch ist, also eine magnetische Permeabilitätszahl μr aufweist,
die deutlich größer als
1 ist, bevorzugt größer als
10, besonders bevorzugt größer als
100. Bevorzugte Materialien hierfür sind Eisenlegierungen sowie
Ferrite. Es sind solche Materialien bevorzugt, die magnetisch weich
sind, die also eine geringe Restmagnetisierung bei fehlendem äußeren Magnetfeld
zeigen. In diesem Zusammenhang ist ein einzelnes magnetisierbares Element
in sich starr ausgebildet. Es können
miteinander beweglich verbundene ferromagnetische Komponenten vorhanden
sein, diese werden allerdings im Folgenden nicht als Teile eines
magnetisierbaren Elements, sondern als mehrere magnetisierbare Elemente
aufgefasst.
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Als
Permanentmagnet wird hierbei ein Bauteil bezeichnet, das ebenfalls
wenigstens teilweise, bevorzugt vollständig ferro- oder ferrimagnetisch
ist, wobei hier Materialien bevorzugt sind, die magnetisch möglichst
hart sind, wie Bismanol, Aluminium-Nickel-Cobalt, Samarium-Cobalt oder Neodym-Eisen-Bor,
wobei letzteres besonders bevorzugt ist. Die Grundform eines Permanentmagneten
im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein Dipolmagnet mit genau
einem Nord- und einem Südpol.
Daneben können
allerdings auch höhere
Multipolmagnete, insbesondere Quadrupolmagnete zum Einsatz kommen.
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Grundsätzlich ist
es wünschenswert,
dass die genannten magnetischen Eigenschaften in einem möglichst
großen
Temperaturbereich gegeben sind, damit das Gerät bei allen denkbaren Temperaturen einsetzbar
ist, bei denen eine Werkstückprüfung durchzuführen ist.
In der Praxis wird eine solche Prüfung normalerweise bei Temperaturen
zwischen –150°C und 300°C stattfinden,
obwohl in bestimmten Fällen
auch Temperaturen denkbar sind, die außerhalb dieses Bereichs liegen.
Da das erfindungsgemäße Gerät insbesondere
zur manuellen Handhabung vorgesehen ist (wenngleich die Integration
in einen Roboter oder dergleichen ohne Weiteres möglich ist),
sollen die oben genannten magnetischen Eigenschaften zumindest in
einem Temperaturbereich gegeben sein, innerhalb dessen an eine manuelle Handhabung
zu denken ist, also wenigstens zwischen 0°C und 50°C, bevorzugt wenigstens zwischen –40°C und 80°C. Um auch
nicht-manuelle Handhabung
zu erlauben, sollen die magnetischen Eigenschaften wenigstens in
einem Temperaturbereich zwischen –150°C und 300°C gegeben sein.
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Erfindungsgemäß sind wenigstens
ein Permanentmagnet und wenigstens ein magnetisierbares Element
derart relativ zueinander verstellbar, dass eine äußere magnetische
Feldstärke
der Magnetisieranordnung zwischen einem der Passivstellung zugeordneten
Minimalwert und einem der Aktivstellung zugeordneten Maximalwert
veränderbar
ist.
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Hierbei
beschreibt der Begriff „verstellbar” die Möglichkeit
einer Positionsveränderung,
die kontrolliert herbeigeführt
werden kann. Die entsprechende Positionsveränderung kann in einer Drehung,
einer Verschiebung oder einer Kombination hieraus bestehen. Falls
das Gerät
ein Gehäuse,
einen Griff oder Ähnliches
umfasst, wodurch eine Art „Bezugsrahmen” gegeben
ist, so ist es denkbar, dass wenigstens ein Permanentmagnet oder
wenigstens ein magnetisierbares Element oder beide gegenüber diesem
Bezugsrahmen verstellbar sind. Es ist denkbar, dass beim Verstellen
Zwischenstellungen einstellbar sind. Es kann eine kontinuierliche
oder diskontinuierliche Verstellbarkeit gegeben sein. Der Verlauf
der magnetischen Feldstärke
zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert kann unterschiedlich
sein. Der Begriff der magnetischen Feldstärke bezieht sich hier primär im physikalischen
Sinne auf das H-Feld, gemessen in Ampere/Meter. Ist die magnetische
Permeabilität
des jeweiligen Mediums bekannt, ergibt sich die magnetische Feldstärke direkt
aus der magnetischen Flussdichte (also dem B-Feld, gemessen in Tesla)
und umgekehrt. In diesem Sinne sind qualitative Aussagen hinsichtlich
einer der beiden Größen auf
die andere Größe übertragbar.
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Als äußere magnetische
Feldstärke
der Magnetisieranordnung wird eine Feldstärke bezeichnet, die außerhalb
der Magnetisieranordnung herrscht und die von dieser herrührt, d.
h. eine Feldstärke
eines Magnetfeldes, das aus der Magnetisieranordnung austritt. Dieses
Magnetfeld wird im Rahmen der Werkstoffprüfung zur Magnetisierung eines
zu untersuchenden Werkstücks
genutzt. Der Maximalwert ist der größte unter allen Werten, den
die magnetische Feldstärke
in allen möglichen
Stellungen der Magnetisieranordnung annehmen kann, er entspricht
also mathematisch dem globalen Maximum. Entsprechend ist der Minimalwert
der kleinste unter allen möglichen
Werten, entsprechend dem globalen Minimum. Die Begriffe des Maximal-
und Minimalwerts beziehen sich hier und im Folgenden stets auf den Betrag
der Feldstärke,
d. h. es werden nicht etwa Feldstärken je nach Orientierung als „positiv” und „negativ” aufgefasst.
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Durch
das relative Verstellen von Permanentmagnet und magnetisierbarem
Element erfolgt eine Ummagnetisierung des letzteren. Beispielsweise
kann ein drehbar gelagerter, stabförmiger Permanentmagnet verwendet
werden, dessen beide Pole in der Passivstellung von einem magnetisierbaren
Element beabstandet sind, während
in der Aktivstellung ein Pol auf das magnetisierbare Element hin
ausgerichtet ist und einen geringen Abstand zu diesem, beispielsweise
0,5 mm, hat. In der Passivstellung ist eine vergleichsweise schwache
Magnetisierung des magnetisierbaren Elements gegeben, insbesondere wird
die magnetische Feldstärke
auf der vom Permanentmagneten abgewandten Seite vergleichsweise schwach
sein. In der Aktivstellung erfolgt jedoch durch den Magnetpol, der
auf das magnetisierbare Element ausgerichtet ist, eine starke Magnetisierung, eine
hohe Feldstärke
bildet sich in dem magnetisierbaren Element aus, die auch außerhalb
desselben festzustellen ist. Bei geeigneter Geometrie fungiert das
magnetisierbare Element hierbei als eine Art „Leiter” und „Verstärker” des vom Permanentmagneten
ausgehenden Magnetfeldes. Ist im vorliegenden Fall beispielsweise
das magnetisierbare Element gestreckt-zylindrisch ausgebildet und
der Permanentmagnet an einer Stirnfläche angeordnet, so ist in der Aktivstellung
eine hohe Feldstärke
an der gegenüberliegenden
Stirnfläche
festzustellen.
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In
dem geschilderten Fall ist die Magnetisierung in der Passivstellung
schwächer
als in der Aktivstellung. Dies ist jedoch nicht zwangsläufig der
Fall. Wesentlich ist vielmehr auch die Richtung der Magnetisierung,
d. h. der Verlauf der Feldlinien innerhalb des magnetisierbaren
Elements. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden
in der Passivstellung die Feldlinien von zwei Polen entgegengesetzter
Polarität
gewissermaßen „kurzgeschlossen”. Hierzu
sind wenigstens ein Permanentmagnet und wenigstens ein magnetisierbares
Element derart relativ zueinander verstellbar, dass in der Passivstellung
wenigstens zwei Magnetpole entgegengesetzter Polarität an das
magnetisierbare Element angrenzend angeordnet sind, und dass in
der Aktivstellung nur einer der beiden Pole an das magnetisierbare Element
angrenzend angeordnet ist, während
der andere Pol vom magnetisierbaren Element beabstandet angeordnet
ist. Hierbei ist ausdrücklich
die Möglichkeit
eingeschlossen, dass die genannten Pole zu verschiedenen Permanentmagneten
gehören.
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Ist
ein Pol angrenzend an ein magnetisierbares Element angeordnet, so
treten die Feldlinien praktisch direkt vom Magnetpol in das magnetisierbare
Element ein bzw. umgekehrt. Sind zwei Magnetpole entgegengesetzter
Polarität
angrenzend an das magnetisierbare Element angeordnet, so verlaufen die
Feldlinien innerhalb desselben von einem Pol zum anderen, sie sind
quasi kurzgeschlossen. D. h., die Magnetisierung ist unter Umständen lokal
relativ stark, die Feldlinien verlaufen aber wieder direkt zum Magneten
zurück
und es tritt nach außen
hin nur eine geringe magnetische Feldstärke auf. Ist hingegen in der
Aktivstellung nur einer der genannten Pole an das magnetisierbare
Element angrenzend angeordnet, während
der andere Pol vom magnetisierbaren Element beabstandet angeordnet
ist, so werden die Feldlinien, wie bereits oben geschildert, durch
dieses geleitet und verstärkt,
so dass nach außen,
also z. B. an einer vom Magneten abgewandten Seite des magnetisierbaren
Elements, eine hohe Feldstärke
austritt. Der Effekt wird natürlich
noch verstärkt,
wenn in der Aktivstellung noch wenigstens ein weiterer Pol der gleichen
Polarität
angrenzend an das magnetisierbare Element angeordnet ist.
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In
diesem Zusammenhang bestimmt sich die Frage, zu welchem Magnetpol
ein bestimmter Bereich der Oberfläche des Permanentmagneten gehört, entsprechend
der allgemeinen Definition danach, ob die magnetischen Feldlinien
in diesem Bereich aus der Oberfläche
austreten oder in diese eintreten. Demnach ist jeder Pol eines Magneten
selbstverständlich
ein ausgedehnter Bereich und kein einzelner Punkt. Bevorzugt hat
wenigstens ein Teil eines Pols, der als „angrenzend angeordnet” bezeichnet wird,
einen Abstand von weniger als 1 mm, weiter bevorzugt weniger als
0,7 mm, besonders bevorzugt weniger als 0,4 mm, zur Oberfläche des
magnetisierbaren Elements. Bevorzugt hat demgegenüber jeder Teil
eines Pols, der als „beabstandet
angeordnet” bezeichnet
wird, einen Abstand von wenigstens 1 mm, weiter bevorzugt wenigstens
5 mm zur Oberfläche des
magnetisierbaren Elements. An dieser Stelle sei angemerkt, dass
eine geringfügige
Abweichung von dieser bevorzugten Ausführungsform nicht kritisch ist.
So führt
es immer noch zu brauchbaren, wenn auch schlechteren Ergebnissen,
wenn ein kleiner Teilbereich, z. B. 5%, des anderen Pols nicht in
obigem Sinne „beabstandet”, sondern
angrenzend an das magnetisierbare Element angeordnet ist.
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Grundsätzlich bestehen
im Rahmen der Erfindung keinerlei Einschränkungen hinsichtlich der Geometrie
des bzw. der magnetisierbaren Elemente. Da sich allerdings die Magnetisierung
des zu untersuchenden Werkstücks
durch eine möglichst
enge Kontaktierung optimieren lässt,
ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wenigstens
ein magnetisierbares Element als Kontaktelement zum Aufsetzen auf
eine Oberfläche
eines Werkstücks
ausgebildet. Ein solches Kontaktelement weist wenigstens eine Fläche auf,
die ein möglichst
unmittelbares Aufsetzen auf eine Werkstückoberfläche erlaubt. Diese Fläche wird
also für
ebene Werkstückoberflächen eben
ausgebildet sein. Für
gekrümmte
Oberflächen kann
eventuell eine Fläche
mit entsprechend entgegengesetzter Krümmung vorgesehen sein. Eine
solche Fläche
muss selbstverständlich
auch eine Annäherung
an das Werkstück
erlauben und befindet sich daher in der Regel an einer Außenseite
des Geräts. Bevorzugt
liegt die Fläche
frei, da bereits dünne Schichten
von Lack, Kunststoff o. Ä.
den Kontakt zum Werkstück
beeinträchtigen
können.
Darüber
hinaus kann für
eine weiter verbesserte Anpassung an die Oberflächengeometrie des Werkstücks wenigstens ein
Kontaktelement abnehmbar bzw. austauschbar sein.
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Um
eine Verwendbarkeit des Geräts
für eine möglichst
große
Vielzahl von Werkstücken
zu gewährleisten,
ist bevorzugt wenigstens ein Kontaktelement zur Anpassung an eine
Oberflächengeometrie des
Werkstücks
verstellbar. Ein entsprechendes Verstellen kann in einem Schwenken
oder Verschieben bestehen. Dies ist in der Regel beim Zusammenwirken
wenigstens zweier Kontaktelemente sinnvoll, da auf diese Weise deren
Abstand und/oder Winkel zueinander eingestellt werden kann. So können zwei Kontaktelemente
durch Schwenken wenigstens eines der beiden mit ihren Kontaktflächen entweder (für ebene
Oberflächen)
parallel oder (für
gekrümmte oder
winklige Oberflächen)
im Winkel zueinander eingestellt werden. Ebenso ist es denkbar,
dass ein Kontaktelement durch Verschieben gewissermaßen ausgefahren
wird, um in eine Vertiefung in der Werkstückoberfläche einzugreifen.
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Aus
dem Stand der Technik ist die Hufeisenform für Elektromagnete ebenso wie
für Permanentmagnete
bekannt. Auch bei der vorliegenden Erfindung ist diese Form, bei
der gewissermaßen
zwei Polaritäten
in eine Richtung „umgeleitet” werden,
bevorzugt. Hierzu umfasst das Gerät zwei hufeisenförmig angeordnete
magnetisierbare Elemente sowie einen dazwischen angeordneten Permanentmagneten.
Eine wenigstens näherungsweise
spiegelsymmetrische Anordnung ist bevorzugt, wobei jedes der magnetisierbaren
Elemente in etwa L-förmig
ausgebildet ist, so dass es eine Hälfte des Hufeisens bildet. Die
beiden magnetisierbaren Elemente stoßen jedoch nicht aneinander;
vielmehr ist zwischen ihnen ein Permanentmagnet angeordnet. Dieser
kann mit einem weiteren magnetisierbaren Element kombiniert sein,
welches gegenüber
den L-förmigen
Elementen beweglich ist. Bevorzugt ist der Permanentmagnet allerdings
selbst beweglich und ist in wenigstens einer Stellung von den L-förmigen Elementen höchstens
durch einen Zwischenraum von 1 mm (oder weniger) getrennt. Der Magnet
kann verschieblich gelagert sein, bevorzugt ist er aber drehbar
gelagert. Eine Bauform, die in besonderer Weise an eine Drehbarkeit
angepasst ist, ist die eines Zylinders, wobei die Trennungsebene
zwischen den Polen durch die Symmetrieachse des Zylinders verläuft und
letztere mit der Drehachse zusammenfällt.
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Neben
Magnetisieranordnungen, die einfach hufeisenförmig, also gewissermaßen „zweibeinig”, sind,
können
auch drei- oder vierbeinige Ausführungen
eingesetzt werden. Letztere, die z. B. bei Elektromagneten auch
als Kreuzmagnete bekannt sind, können
beispielsweise vier L-förmige
magnetisierbare Elemente umfassen. Hierbei liegen jeweils zwei L-förmige Elemente
einander gegenüber
und bilden zusammen eine Hufei senform. Die beiden „Hufeisen” sind hier
gegenüber
einander um 90° gedreht.
Entsprechend lässt
sich aus drei L-förmigen
Elementen eine dreibeinige Anordnung aufbauen. Zwischen den magnetisierbaren
Elementen, in dem Bereich, wo diese aneinander angrenzen, kann ein
Permanentmagnet drehbar angeordnet sein, der je nach Ausrichtung
die einzelnen magnetisierbaren Elemente magnetisiert. Gegenüber der
zweibeinigen Anordnung, die zwar Magnetfelder variabler Stärke, aber fester
Ausrichtung erlaubt, hat eine solche drei- oder vierbeinige Anordnung
zusätzliche
Vorteile, weil Risse, die einen Winkel von in etwa 30° oder weniger
zur Magnetfeldrichtung aufweisen, hiermit besser feststellbar sind.
Auf ein u. U. erforderliches Drehen, wie dies ggf. bei einer zweibeinigen
Anordnung erforderlich ist, kann verzichtet werden. Dies deshalb,
weil eine drei- oder vierbeinige Anordnung Magnetfelder verschiedener
Ausrichtung erzeugen kann, womit die Detektion von Rissen unterschiedlicher
Lage möglich ist,
ohne die Anordnung zu drehen.
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Wenn
auch ein Permanentmagnet ausreicht, um die Erfindung zu realisieren,
kann das Gerät,
wie bereits angedeutet wurde, eine Mehrzahl von Permanentmagneten
umfassen. Dies schließt
insbesondere die Kombination von Magneten, die gegenüber einem
magnetisierbaren Element stationär
sind, mit solchen, die verstellbar sind, ein. Z. B. kann in einer Variation
des gerade geschilderten Beispiels ein weiterer Permanentmagnet
vorgesehen sein, der in Beschaffenheit und Abmessungen mit dem ersten
Permanentmagneten identisch ist, allerdings nicht drehbar, sondern
gegenüber
den L-förmigen
Elementen stationär
angeordnet ist. Wird nun der erste Magnet mit dem zweiten parallel
ausgerichtet, was der Aktivstellung entspricht, so ergibt sich eine
hohe Feldstärke
in jedem der magnetisierbaren Elemente, die zu den Enden des Hufeisens
umgeleitet wird. Wird der erste Magnet durch Drehung antiparallel
zum zweiten Magneten ausgerichtet, was der Passivstellung entspricht,
so werden jeweils die Feldlinien zwischen dem Südpol des einen und dem Nordpol
des anderen über
ein magnetisierbares Element kurzgeschlossen, womit an den Enden
des Hufeisens nur eine geringe Feldstärke auftritt.
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Wie
bereits dargelegt wurde, kann ein Verstellen eines Permanentmagneten
durch Verschiebung und/oder durch Drehung erfolgen. Hierbei ist
allerdings die Drehung bevorzugt. Diese hat vor allem zwei Vorteile.
Zum einen stellt die Drehung eine platzsparende Bewegung dar; wenn
der Magnet sich um eine Symmetrieachse dreht, nimmt er sogar stets den gleichen
Raum ein. Dies ermöglicht
es, die Magnetisiervorrichtung und somit das gesamte Gerät kompakter
zu gestalten. Der zweite Vorteil ergibt sich, wenn ein periodisches
Verstellen zwischen der Aktivstellung und der Passivstellung vorgenommen werden
soll. Dies ist notwendig, wenn mit dem erfindungsgemäßen Gerät magnetische
Wechselfelder erzeugt werden sollen, wie es nach dem Stand der Technik
nur mit Elektromagneten möglich
ist. Bei einer Verschiebung muss der Permanentmagnet in diesem Fall
ständig
hin- und herbewegt werden, was zwar möglich, aber energetisch ineffizient
ist und zu unerwünschten
Vibrationen führen
kann. Demgegenüber
kann bei einer Verstellung durch Drehung der Magnet einfach in Rotation
gehalten werden, wodurch die periodische Verstellung erfolgt. Hierbei
treten keine Beschleunigungskräfte,
sondern nur Kräfte durch
Reibung und magnetische Wechselwirkung auf.
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Ein
periodisches Verstellen kann grundsätzlich zwar durch einfaches
manuelles „Hin-
und Herschalten” erfolgen,
jedoch ist dies bei Frequenzen oberhalb von wenigen Hertz nicht
möglich.
Daher umfasst das Gerät
vorzugsweise Mittel zum periodischen Verstellen zwischen der Aktivstellung
und der Passivstellung. Solche Mittel können in der einfachsten Form
manuell bedient werden. So kann z. B. eine Handkurbel vorhanden
sein, die an ein einfaches Übersetzungsgetriebe
gekoppelt ist. Auf diese Weise kann z. B. im Falle einer Übersetzung
von 1:5 bei einer Drehung der Handkurbel mit 1 U/sek eine Drehung
eines Permanentmagneten mit 5 U/sek erfolgen. Alternativ kann eine
Anschlussstelle für
einen externen Antrieb vorgesehen sein. So könnte im einfachsten Fall das
Ende einer Achse, die entweder direkt oder über eine Übersetzung an die Magnetisieranordnung
angekoppelt ist, an der Außenseite
des Geräts
zugänglich
sein, um hieran das Bohrfutter eines Akkuschraubers anzuschließen. Hiermit
werden höhere
Frequenzen zugänglich
als durch einen manuellen Betrieb und es kann eine Frequenz genauer eingehalten
werden. Die Mittel zum periodischen Verstellen können in jedem Fall ein Getriebe
und, falls das Verstellen durch Verschieben erfolgt, eine Pleuelstange
umfassen. Durch das periodische Verstellen ist es möglich, mit
dem erfindungsgemäßen Gerät Wechselfelder
zu erzeugen, die sich nach dem Stand der Technik nur mittels eines
durch Wechselstrom betriebenen Elektromagneten erzeugen lassen.
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Vorteilhafterweise
umfasst das Gerät
motorische Mittel zum Verstellen der Magnetisieranordnung. Diese
sind insbesondere sinnvoll, wenn ein periodisches Verstellen erfolgen
soll, da sie ein Verstellen mit höheren Frequenzen (also z. B.
10 Hz oder mehr) ermöglichen,
wobei das Gerät
von einem externen Antrieb unabhängig
ist. Darüber
hinaus können
solche motorischen Mittel als Servo-Motor dienen, wodurch ein kraftsparendes
und präzises
Verstellen der Magnetisieranordnung möglich ist. Dies ist insbesondere
interessant, wenn Zwischenstellungen zwischen der Aktivstellung
und der Passivstellung eingestellt werden sollen. Ein Benutzer kann hierbei über ein
Bedienelement, einen Schalter oder Regler, eine Einstellung der
Magnetisieranordnung wählen,
die durch den Servo-Motor angesteuert wird. Die motorischen Mittel
können
aus einem oder mehreren Motoren bestehen. Sie können die Magnetisieranordnung
direkt oder über
ein Getriebe ansteuern.
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Nach
dem Stand der Technik wird beim Magnetpulverprüfverfahren entweder ein statisches
Magnetfeld oder ein Wechselfeld mit einer Frequenz von üblicherweise
50 Hz, also der Frequenz der Netzspannung, eingesetzt. Es hat sich
allerdings gezeigt, dass sich mitunter eine bessere Abbildung von
Materialfehlern erreichen lässt,
wenn andere Frequenzen verwendet werden. Weiterhin ist die optimale
Frequenz vom Material und evtl. auch von der Geometrie des Werkstücks abhängig. Daher
ist in einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Geräts die Magnetisieranordnung
durch die motorischen Mittel mit einer Mehrzahl von Frequenzen verstellbar.
Hierbei kann ein Regler oder Schalter vorgesehen sein, mit dem der
Benutzer eine Frequenz auswählen
kann. Die Frequenz kann kontinuierliches oder diskontinuierlich
einstellbar sein. Eine Frequenzwahl kann nach Erfahrung bzw. durch
Nachschlagen in einer entsprechenden Tabelle oder aber durch schlichtes
Ausprobieren erfolgen. Zu beachten ist hier, dass die Amplitude
der magnetischen Feldstärke
frequenzabhängig ist,
wobei nicht nur die Beschaffenheit des Geräts, sondern auch die eines
in der Nähe
befindlichen Werkstücks
entscheidend sind. Hinsichtlich des Frequenzbereichs hat sich gezeigt,
dass einerseits Magnetfelder mit höheren Frequenzen als 50 Hz
vorteilhaft sind, da die magnetische Suszeptibilität vieler ferromagnetischer
Materialien erst oberhalb der Netzfrequenz maximal wird. Daneben
ist allerdings zu berücksichtigen,
dass hochfrequente Felder erhöhte
Verluste durch Wirbelströme
mit sich bringen können.
Aufgrund dieser Überlegungen
ist es bevorzugt, dass die Magnetisieranordnung durch die motorischen
Mittel mit wenigstens einer Frequenz zwischen 1 Hz und 200 Hz verstellbar
ist.
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Wirbelströme können sich
zum einen im Werkstück,
zum anderen aber auch in einem magnetisierbaren Element ausbilden.
Letzteres kann mitunter dadurch reduziert werden, dass ein magnetisierbares
Element nicht aus einem Stück
gefertigt wird, sondern aus Teilen, die fest miteinander verbunden, aber
elektrisch voneinander isoliert sind. So kann ein solches Element
z. B. aus aufeinanderliegenden Blechen bestehen, die jeweils mit
einem isolierenden Lack versehen sind. Ist die Lackschicht sehr
dünn (z. B.
0,1 mm oder weniger), beeinflusst sie das Magnetfeld nur wenig,
während
sich Wirbelströme
in den einzelnen Blechen wesentlich schwächer ausbilden als in einem
einzigen, massiven Element.
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Prinzipiell
sind verschiedene Typen von Motoren zum Einsatz als motorische Mittel
geeignet, also beispielsweise auch Verbrennungsmotoren. Aufgrund
der wesentlich leichteren Handhabbarkeit, insbesondere im Hinblick
auf Ein- und Ausschalten sowie Drehzahlregelung, ist es jedoch bevorzugt, dass
die motorischen Mittel einen mittels einer Batterie betreibbaren
Elektromotor umfassen. Als Batterien kommen hier insbesondere auch
Akkumulatoren in Frage, die zum Aufladen entweder am Gerät verbleiben
können,
falls eine entsprechende Ladevorrichtung integriert ist, oder aber
zum externen Wiederaufladen abnehmbar sein können.
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Die
Ergebnisse der mit dem erfindungsgemäßen Gerät durchgeführten Werkstoffprüfung hängen davon
ab, ob eine gewisse Mindestmagnetisierung des Werkstücks erreicht
wird. Ist die Magnetisierung unzureichend, erfolgt keine Ansammlung
des Prüfpulvers
an Materialfehlern, wodurch u. U. ein fehlerfreies Werkstück vorgetäuscht würde. Bei
ordnungsgemäßer Wartung
des Geräts
kann man bei Werkstücken,
deren Eigenschaften bekannt sind, aufgrund der Erfahrung davon ausgehen,
dass bei einer bestimmten Frequenz eine bestimmte magnetische Feldstärke erreicht
wird, die wiederum zu einer ausreichenden Magnetisierung des Werkstücks korrespondiert.
Um eine möglichst
vielseitige Anwendbarkeit des Geräts zu gewährleisten, ist es allerdings sinnvoll,
dass während
der Verwendung des Geräts die
Möglichkeit
besteht, zu überprüfen, ob
eine bestimmte Feldstärke
erreicht wird. Hierzu umfasst das Gerät in einer Weiterbildung ein
Messgerät
zur Bestimmung der äußeren magnetischen
Feldstärke.
Ein solches Messgerät
ist geeigneterweise so angeordnet, dass es sich in der Nähe der Oberfläche des Werkstücks befindet,
wenn dieses kontaktiert wird, da für die Magnetisierung des Werkstücks vornehmlich
die magnetische Feldstärke
in diesem Bereich entscheidend ist. Das Messgerät kann, wenn nur Wechselfelder
gemessen werden, als wesentliches Bauteil eine Spule umfassen, in
der ein Wechselfeld eine Spannung induziert. Bevorzugt ist jedoch,
dass das Messgerät
eine Hall-Sonde umfasst, da diese wesentlich präziser arbeitet und auch zeitlich
konstante Felder messen kann.
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Die
von dem Messgerät
ermittelten Werte können
unter Umständen
intern ausgewertet werden. Um dem Benutzer eine Kontrollmöglichkeit
zu geben, ist es jedoch bevorzugt, dass das Gerät Mittel zum Anzeigen einer
gemessenen magnetischen Feldstärke
umfasst. Derartige Mittel könne
unterschiedlich ausgebildet sein. Es kann z. B. eine analoge oder
digitale Anzeige vorhanden sein, auf der die magnetische Feldstärke – bzw.,
im Falle von Wechselfeldern, deren Amplitude – abgelesen werden kann. Alternativ
oder ergänzend
hierzu kann z. B. wenigstens eine Kontroll-LED vorgesehen sein,
die aufleuchtet, wenn ein herstellerseitig vorgegebener Mindestwert
der magnetischen Feldstärke
erreicht wird. Auch akustische Signale, evtl. auch eine Sprachausgabe,
können
verwendet werden, um dem Benutzer das Erreichen oder Nicht-Erreichen
einer bestimmten Feldstärke
anzuzeigen. Vibrationssignale sind zwar denkbar, aber nicht bevorzugt,
da diese sich auf das Werkstück übertragen
und somit das Ergebnis der Prüfung verfälschen können.
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In
einer Weiterentwicklung des Geräts
umfasst dieses einen Regelkreislauf, mittels dessen eine Frequenz
zur Erzeugung einer vorgegebenen magnetischen Feldstärke einregelbar
ist. Ein solcher Regelkreislauf umfasst hierbei sowohl ein Messgerät zum Messen
der äußeren magnetischen
Feldstärke, als
auch Mittel zum Steuern der Frequenz, mit der die Magnetisieranordnung
verstellt wird. Der Regelkreislauf umfasst weiterhin eine Regeleinheit,
die die gemessenen Werte auswertet und hieraus einen neuen Frequenzwert
ermittelt, der an die Mittel zum Steuern der Frequenz weitergegeben
wird. Hierbei versucht die Regeleinheit, einen bestimmten Mindestwert
der magnetischen Feldstärke
zu erreichen. Dieser Wert ist typischerweise herstellerseitig vorgegeben,
es ist aber auch denkbar, dass dieser durch den Benutzer eingegeben
wird. Auch in Kombination mit einem Regelkreislauf ist es sinnvoll,
dass das Gerät über Mittel zum
Anzeigen einer gemessenen magnetischen Feldstärke verfügt, z. B. über eine LED, die den Benutzer über das
Erreichen oder Nicht-Erreichen
der vorgegebenen magnetischen Feldstärke informiert.
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Daneben
kann das Gerät
verschiedene zusätzliche
Komponenten aufweisen, die dem Fachmann geläufig sind. Hierzu zählen z.
B. eine digitale oder analoge Anzeige der eingestellten Frequenz, eine
Anzeige für
den Ladezustand einer verwendeten Batterie sowie eine Abschaltautomatik
bei längerer
Nichtbenutzung des Geräts.
Wie bereits angedeutet wurde, kann das Gerät selbstverständlich ein Gehäuse, beispielsweise
aus Kunststoff, umfassen, von dem die meisten Komponenten umgeben
sind. Hierbei ist es allerdings bevorzugt, dass sich Kontaktelemente
wenigstens soweit außerhalb
des Gehäuses
befinden, dass eine direkte Kontaktierung des Werkstücks möglich ist.
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Details
der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die Figuren erläutert.
Hierbei zeigt
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Geräts zur zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung;
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2 eine
schematische Schnittzeichnung des Geräts aus 1;
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3a eine
schematische Darstellung der Magnetisieranordnung des Geräts aus 1 in
der Passivstellung;
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3b eine
schematische Darstellung der Magnetisieranordnung aus 3a in
der Aktivstellung;
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4a eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Magnetisieranordnung
in der Passivstellung;
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4b eine
schematische Darstellung der Magnetisieranordnung aus 4a in
der Aktivstellung;
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5 eine
schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht einer dritten
Ausführungsform
einer Magnetisieranordnung und
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6 eine
schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht einer vierten
Ausführungsform
einer Magnetisieranordnung.
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Das
in den 1 und 2 dargestellte Gerät 1 zur
zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung
kann von einem Benutzer (nicht dargestellt) mit einer Hand geführt werden.
Zu diesem Zweck ist an einem Gehäuse 40 aus
Kunststoff, das die funktionellen Komponenten weitgehend umgibt,
ein Handgriff 41 ausgeformt. An diesem befindet sich ein
Schaltknopf 42, durch den der Benutzer das Gerät 1 mit
einer Hand ein- und ausschalten kann. Weiterhin sind an der Außenseite
des Gehäuses 40 ein
Funktionswahlschalter 44 sowie ein Frequenzwahlschalter 43 angebracht.
Der Funktionswahlschalter 44 kann zwischen einer Konstantfeldstellung
und einer Wechselfeldstellung verstellt werden. In der Konstantfeldstellung arbeitet
das Gerät 1 mit
zeitlich konstantem Magnetfeld, in der Wechselfeldstellung mit periodisch
variierendem Magnetfeld. Die Frequenz der Variation ist über den
Frequenzwahlschalter 43 einstellbar. Bei diesem Gerät 1 sind
vier Frequenzen, nämlich
10 Hz, 20 Hz, 50 Hz und 60 Hz, wählbar.
Weiterhin befindet sich am Gehäuse 40 eine
LED 45, die dem Benutzer durch Aufleuchten anzeigt, dass
eine äußere magnetische
Feldstärke
einen werksseitig vorgegebenen Wert von 2 kA/m erreicht oder überschritten
hat. Dieser Wert, der in Luft einer magnetischen Flussdichte von
ca. 2,5 mT entspricht, gilt als ausreichend zur Magnetisierung des
zu prüfenden
Werkstücks 100. Dies
ist der Wert, der gemäß der DIN
EN 9934-1 für die
Tangentialfeldstärke
unmittelbar an der Oberfläche
des Werkstücks
vorgeschrieben ist.
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Wie
in der Schnittzeichnung in 2 erkennbar
ist, befindet sich innerhalb des Gehäuses 40 eine Magnetisieranordnung 2a.
Diese umfasst als Kernstück
einen Permanentmagneten 3 aus Neodym-Eisen-Bor, der als
zylinderförmiger
Dipolmagnet mit einem Durchmesser von 30 mm ausgebildet ist. Der Permanentmagnet 3 ist
zwischen einem ersten magnetisierbaren Element 10a und
einem zweiten magnetisierbaren Element 11a angeordnet,
wobei er diesen gegenüber
um seine Zylinderachse drehbar gelagert ist. Die genannten magnetisierbaren
Elemente 10a, 11a sind jeweils L-förmig ausgebildet
und zusammen hufeisenförmig
angeordnet. Sie sind mit dem Gehäuse 40 starr
verbunden. Mit den L-förmigen
magnetisierbaren Elementen 10a, 11a sind ein erstes
und ein zweites Kontaktelement 12, 13 verbunden.
Die Kontaktelemente 12, 13 können durch Drehung verstellt
werden, wodurch eine Anpassung an verschieden geformte Werkstücke 100 erfolgen kann.
Sowohl die L-förmigen
Elemente 10a, 11a als auch die Kontaktelemente 12, 13 bestehen
aus Weicheisen und haben eine magnetische Permeabilitätszahl von
ca. 12000. Wie in 1 erkennbar ist, ragen die Kontaktelemente 12, 13 im
unteren Bereich des Geräts 1 aus
dem Gehäuse 40 hervor.
Eine von den Kontaktelementen 12, 13 ausgehende äußere magnetische
Feldstärke
kann zur Magnetisierung des zu prüfenden Werkstücks 100 verwendet
werden.
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In
den 3a und 3b ist
die Funktionsweise der Magnetisieranordnung 2a dargestellt. 3a zeigt
die Magnetisieranordnung 2a in der Passivstellung. Der
Permanentmagnet 3 ist senkrecht zur Zylinderachse polarisiert,
d. h. Nord- und Südpol 50, 51 des Permanentmagneten 3 haben
jeweils halbkreisförmigen
Querschnitt. Die Grenze zwischen dem Nordpol 50 und dem
Südpol 51 des
Permanentmagneten 3 ist durch die gestrichelte Linie markiert.
Hier ist der Permanentmagnet 3 so ausgerichtet, dass sowohl
der Nordpol 50 als auch der Südpol 51 an jedem der
L-förmigen
magnetisierbaren Elemente 10a, 11a angrenzend
angeordnet sind; zwischen dem Permanentmagneten 3 und jedem
der L-förmigen
Elemente 10a, 11a befindet sich ein Luftspalt
mit einer Breite von 0,3 mm. Aufgrund der geringen Breite des Luftspalts
werden die Feldlinien jeweils über
die magnetisierbaren Elemente 10a, 11a kurzgeschlossen.
Es tritt an den Kontaktelementen 12, 13 praktisch
keine äußere Feldstärke auf.
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Durch
eine Drehung des Permanentmagneten 3 um 90° wird die
Magnetisiervorrichtung 2a in die Aktivstellung verstellt,
was in 3b dargestellt ist. Hierbei
ist bezogen auf jedes der L-förmigen
Elemente 10a, 11a jeweils ein Pol 50, 51 des
Magneten angrenzend angeordnet, während der andere Pol beabstandet
angeordnet ist. Da die L-förmigen Elemente 10a, 11a ebenso
wie die Kontaktelemente 12, 13 eine hohe magnetische
Permeabilität
aufweisen, wird das Magnetfeld durch diese verstärkt und umgeleitet, so dass
an den Kontaktelementen 12, 13 eine hohe äußere magnetische
Feldstärke
auftritt.
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Wie
in 2 erkennbar ist, ist der Permanentmagnet 3 über eine
Achse (nicht dargestellt) mit einem ersten Zahnrad 21 verbunden.
Dieses Zahnrad 21 kann über
einen Zahnriemen 23 von einem Elektromotor 20,
an dem ein zweites Zahnrad 22 befestigt ist, angesteuert
werden. Das Übersetzungsverhältnis zwischen
dem ersten Zahnrad 21 und dem zweiten Zahnrad 22 beträgt hierbei
2,5:1. Daher führt der
Permanentmagnet 3 zwei Umdrehungen aus, während der
Motor 20 fünf
Umdrehungen ausführt. Durch
die Übersetzung
wird zum einen eine Reduzierung der Drehzahl erreicht, zum anderen
steht auf diese Weise am Permanentmagneten 3 ein höheres Drehmoment
zur Verfügung,
wodurch auch bei starken Ummagnetisierungskräften eine frequenzstabile Drehung
gewährleistet
werden kann.
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Der
Motor 20 ist über
eine Steuer- und Auswertungseinheit 30 mit einem Akkumulator 31 verbunden,
der durch drei in Serie geschaltete Lithium-Polymer-Elemente gebildet
wird. Zur Vereinfachung sind die elektrischen Verbindungen zwischen verschiedenen Bauteilen
nicht dargestellt. Der Akkumulator 31 speist den Motor 20 mit
Energie, während über die
Steuer- und Auswertungseinheit 30 die Drehzahl des Motors 20 gesteuert
wird. Die Steuer- und Auswertungseinheit 30 ist Ihrerseits
mit dem Frequenzwahlschalter 43, dem Funktionswahlschalter 44 und
dem Schaltknopf 42 verbunden. Wird der Schaltknopf 42 gedrückt, während sich
der Funktionswahlschalter 44 in der Konstantfeldstellung
befindet, so dreht die Steuer- und Auswertungseinheit 30 den
Permanentmagneten 3 mittels des Motors 20 so, dass
sich die Magnetisiervorrichtung 2a in Aktivstellung befindet,
wird der Schaltknopf 42 losgelassen, dreht die Steuer-
und Auswertungseinheit 30 den Permanentmagneten 3 mittels
des Motors 20 so, dass sich die Magnetisiervorrichtung 2a in
der Passivstellung befindet. Befindet sich der Funktionswahlschalter 44 in
der Wechselfeldstellung und der Schaltknopf 42 wird gedrückt, so
dreht die Steuer- und Auswertungseinheit 30 den Permanentmagneten 3 mit
einer Frequenz, die durch die Einstellung des Frequenzwahlschalters 43 vorgegeben
ist. Hierdurch erfolgt ein zeitlich periodisches Verstellen der Magnetisiervorrichtung 2a zwischen
der Aktiv- und der Passivstellung.
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Am
ersten Kontaktelement 12 ist eine Hall-Sonde 32 angebracht,
die zur Messung der äußeren magnetischen
Feldstärke
dient. Diese ist mit der Steuer- und Auswertungseinheit 30 verbunden. Registriert
die Hall-Sonde 32 eine magnetische Feldstärke von
2 kA/m oder mehr, so legt die Steuer- und Auswertungseinheit 30 eine
Spannung an die LED 45, woraufhin diese durch Aufleuchten
den Benutzer über
das Erreichen der notwendigen Feldstärke informiert. Im Falle eines
Wechselfeldes wird hierbei die Amplitude der Feldstärke zugrunde
gelegt.
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Im
vorliegenden Fall ist die Hall-Sonde 32 am ersten Kontaktelement 12 angeordnet;
alternativ ist es aber auch denkbar, eine Hall-Sonde 32 an
einem Messfühler
oder dergleichen anzubringen, so dass eine Messung an der Werkstückoberfläche zwischen
den beiden Kontaktelementen 12, 13 möglich ist.
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Zur
Prüfung
eines Werkstücks 100 wird,
entsprechend dem Stand der Technik, ferromagnetisches Pulver (nicht
dargestellt), welches fluoreszierend eingefärbt wurde, auf das Werkstück 100 aufgebracht.
Anschließend
führt der
Benutzer das Gerät 1 an
das Werkstück 100 heran
und setzt dieses mit den Kontaktelementen 12, 13 auf
die Oberflä che
des Werkstücks 100 auf.
Soll das Werkstück 100 mittels eines
Wechselfelds geprüft
werden, wird der Funktionswahlschalter 44 in die Wechselfeldstellung
gebracht und am Frequenzwahlschalter 43 eine Frequenz eingestellt,
z. B. 10 Hz. Anschließend
betätigt der
Benutzer den Schaltknopf 42, wodurch ein periodisches Verstellen
der Magnetisieranordnung 2a mit 10 Hz erfolgt. Der Motor 20 arbeitet
in diesem Fall mit 25 U/min. Zeigt ein Aufleuchten der LED 45 dem
Benutzer an, dass die erforderliche Feldstärke erreicht wurde, kann die
Prüfung
fortgesetzt werden. Bleibt ein Aufleuchten aus, so kann der Benutzer
durch Verstellen des Frequenzwahlschalters 43 eine andere Frequenz,
z. B. 20 Hz wählen,
mit der die Prüfung wiederholt
wird.
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Nach
erfolgreicher Prüfung
lässt der
Benutzer den Schaltknopf 42 wieder los, wodurch die Steuer-
und Auswertungseinheit 30 den Permanentmagneten 3 so
dreht, dass sich die Magnetisiervorrichtung 2a in Passivstellung
befindet. Dann kann das Gerät 1 von
der Oberfläche
des Werkstücks 100 entfernt
werden.
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Alternativ
zu der hier gezeigten Ausführungsform
könnte
die Steuer- und Auswertungseinheit 30 auch dazu ausgelegt
sein, selbstständig
eine Frequenz zu ermitteln, bei der eine maximale Feldstärke erreicht
wird. Falls diese wenigstens gleich der vorgegebenen Feldstärke von
2 kA/m ist, kann dies wiederum durch eine LED 45 angezeigt
werden. Bei dieser alternativen Bauform bildet die Steuer- und Auswertungseinheit 30 zusammen
mit der Hall-Sonde 32, dem Motor 20 und der Magnetisieranordnung 2a einen
Regelkreislauf. Der Frequenzwahlschalter 43 entfällt in diesem
Fall.
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Wie
bereits dargelegt wurde, kann die Magnetisieranordnung 2a, 2b, 2c in
unterschiedlicher Weise aufgebaut sein. 4a und 4b zeigen eine
Ausführungsform
einer Magnetisieranordnung 2b unter Verwendung eines Quadrupolmagneten 16. Auch
hier sind wiederum zwei L-förmige
magnetisierbare Elemente 10b, 11b vorhanden, so
dass sich eine hufeisenartige Struktur ergibt. Zwischen den L-förmigen Elementen 10b, 11b ist
ein zylinderförmiger
Quadrupolmagnet 4 drehbar gelagert. Im Unterschied zu der
in den 3a und 3b gezeigten Magnetisieranordnung 2a weist
dieser zwei einander gegenüber
liegende Nordpole 52, 53 und zwei einander gegenüber liegende
Südpole 54, 55 auf.
Die Grenze zwischen zwei angrenzenden Polen ist wiederum durch gestrichelte
Linien markiert. Bezogen auf die Drehachse des Quadrupolmagneten 4 gegenüber den L-förmigen Elementen 10b, 11b befindet sich
ein U-förmiges
magnetisierbares Element 14, das, ebenso wie die L-förmigen Elemente 10b, 11b, vom
Quadrupolmagneten 4 durch einen Luftspalt von 0,3 mm Breite
getrennt ist. In der in 4a gezeigten Passivstellung
sind die Felder von jeweils zwei Polen durch die L-förmigen Elemente 10b, 11b kurzgeschlossen,
während
die Felder von drei Polen durch das U-förmige Element 14 kurzgeschlossen
sind. In diesem Zustand ist praktisch keine äußere magnetische Feldstärke vorhanden.
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Durch
eine 45°-Drehung
des Quadrupolmagneten 4 wird die Magnetisiervorrichtung 2b in
die Aktivstellung verstellt, die in 4b dargestellt
ist. Hier sind ein erster Nordpol 52 und ein erster Südpol 54 angrenzend
an jedes der L-förmigen
Elemente 10b, 11b angeordnet, wodurch wiederum
die magnetischen Feldlinien durch die L-förmigen Elemente 10b, 11b weitergeleitet
werden. Ein zweiter Nordpol 53 und ein zweiter Südpol 55 sind
angrenzend an das U-förmige
Element 14 angeordnet, wodurch deren Feldlinien kurzgeschlossen
werden. Dies sorgt dafür, dass
ein evtl. störendes
Streufeld unterbunden wird.
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Die
in 5 dargestellte Magnetisieranordnung 2c ähnelt in
ihrem Aufbau stark der in den 3a und 3b dargestellten
Anordnung 2a. Allerdings sind hier zwischen zwei L-förmigen Elementen 10c, 11c zwei
zylinderförmige
Dipolmagnete 5, 6 angeordnet. Ein stationärer Magnet 5 ist
hierbei koaxial zu einem drehbaren Magneten 6 angeordnet.
Der stationäre
Magnet 5 ist hierbei gegenüber den L-förmigen Elementen 10c, 11c stationär angeordnet, während der
drehbare Magnet 6 gegenüber
den L-förmigen
Elementen 10c, 11c drehbar gelagert ist. Hierbei
ist jeweils ein Pol des stationären
Magneten 5 angrenzend an eines der L-förmigen Elemente 10c, 11c angeordnet.
In der Passivstellung ist der drehbare Magnet 6 so orientiert,
dass sein Nordpol an dasjenige magnetisierbare Element angrenzt,
an das der Südpol
des stationären
Magneten 5 angrenzt und umgekehrt. Auf diese Weise werden
die Feldlinien von Polen mit entgegengesetzter Polarität kurzgeschlossen.
Ein Verstellen in die Aktivstellung erfolgt durch eine 180°-Drehung des drehbaren
Magneten 6, so dass jeweils die Pole gleicher Polarität angrenzend
eines der L-förmigen
Elemente 10c, 11c angeordnet sind.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer Magnetisieranordnung 2d. Hierbei sind vier L-förmige magnetisierbare
Elemente 10d, 11d, 15, 16 nach
Art eines Kreuzmagneten angeordnet. Hierbei liegen ein erstes Paar
magnetisierbarer Elemente 10d, 11d einander gegenüber und
bilden zusammen eine Hufeisenform. Entsprechend liegen ein zweites Paar
magnetisierbarer Elemente 15, 16 einander gegenüber und
bilden ihrerseits eine Hufeisenform, die gegenüber dem ersten Paar 10d, 11d um
90° gedreht ist.
Zwischen den magnetisierbaren Elementen 10d, 11d, 15, 16,
in dem Bereich, wo sie aneinander angrenzen, ist ein zylinderförmiger Permanentmagnet 7 drehbar
gelagert, dessen Dreh- und
Symmetrieachse mit der Symmetrieachse der Anordnung der magnetisierbaren
Elemente 10d, 11d, 15, 16 zusammenfällt. Der
Permanentmagnet 7 kann hierbei als Dipolmagnet oder als
Quadrupolmagnet ausgebildet sein. Die hier gezeigte Magnetisieranordnung 2d hat
den Vorteil, dass es möglich
ist, Magnetfelder nicht nur variabler Stärke, sondern auch verschiedener
Ausrichtung zu erzeugen, womit die Detektion von Rissen unterschiedlicher
Lage möglich
ist, ohne das Gerät
zu drehen.
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Es
bestehen neben den hier gezeigten Magnetisieranordnungen 2a, 2b, 2c, 2d noch
zahlreiche andere Variationsmöglichkeiten,
mit denen sich die Erfindung realisieren lässt. Dies betrifft die Integration
von mehreren Magneten, von verschieblichen Magneten oder die Verwendung
von magnetisierbaren Elementen, die nicht hufeisenförmig angeordnet sind.