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DE2905399A1 - Vorrichtung und ermittlung von oberflaechenfehlern an metallischen gegenstaenden - Google Patents

Vorrichtung und ermittlung von oberflaechenfehlern an metallischen gegenstaenden

Info

Publication number
DE2905399A1
DE2905399A1 DE19792905399 DE2905399A DE2905399A1 DE 2905399 A1 DE2905399 A1 DE 2905399A1 DE 19792905399 DE19792905399 DE 19792905399 DE 2905399 A DE2905399 A DE 2905399A DE 2905399 A1 DE2905399 A1 DE 2905399A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
detector
coil
eddy current
cylindrical element
detection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19792905399
Other languages
English (en)
Inventor
Hisayuki Aoi
Isamu Komine
Katsuhiko Shimada
Masayoshi Yamada
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JFE Engineering Corp
Original Assignee
Nippon Kokan Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Kokan Ltd filed Critical Nippon Kokan Ltd
Publication of DE2905399A1 publication Critical patent/DE2905399A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
    • G01N27/90Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
    • G01N27/9093Arrangements for supporting the sensor; Combinations of eddy-current sensors and auxiliary arrangements for marking or for rejecting
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N27/90Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
    • G01N27/9013Arrangements for scanning
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21BROLLING OF METAL
    • B21B38/00Methods or devices for measuring, detecting or monitoring specially adapted for metal-rolling mills, e.g. position detection, inspection of the product

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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)

Description

Vorrichtung zur Ermittlung von Oberflächenfehlern an
metallischen Gegenständen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung von Oberflächenfehlern an metallischen Gegenständen kreisförmigen Profils wie runden Knüppeln, runden Stangen, Stahlrohren oder dergleichen und befasst sich insbesondere mit einer Vorrichtung zur Ermittlung von Oberflächenfehlern, die geeignet ist, in wirksamer Weise beim Lauf durch die Fertigungsstraße die Oberflächenfehler solcher metallischer Gegenstände zu ermitteln, die sich auf hoher Temperatur befinden und die mit konstanter Geschwindigkeit in Axialrichtung in der Fertigungsstraße solcher runder Knüppel oder dergleichen vorgeführt werden.
Bisher wurden in einer Warmwalzstraße für runde Knüppel die Hochtemperaturknüppel oder dergleichen, die vom letzten Gerüst des Warmwalzwerkes stammten, visuell inspiziert, um Risse, das Ablösen der Walzhaut oder Defekte in der Gestalt der runden Knüppel durch visuelle Betrachtung festzustellen; die Ergebnisse dieser individuellen Beobachtung wurden dann als Teil der geforderten Walzkontrolldaten verwendet. In neuerer Zeit hat sich die Walzgeschwindigkeit bei dieser Bauart von Warmwalzstraßen so erhöht, daß die Verlässlichkeit der Ergebnisse dieser visuellen Betrachtung sich erheblich verschlechterten; insbesondere hat die Erfassung von Oberflächenfehlern bei mittleren und kleinen Größen sich als fast unmöglich herausgestellt, wenn die Walzerzeugnisse bei der hohen Geschwindigkeit der Fertigungsstraße vorbeiliefen. Da die Ermittlung von Oberflächenfehlern bei einem solchen Warmwal ζVorgang unmöglich wurde, wurden viele der gewalzten kein Konditionieren erfordernden Walzerzeugnisse aufgrund fehlerhafter Inspektion an den nächsten
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Bearbeitungs- oder Konditionierschritt gegeben und dies aufgrund von Störungen in der Ermittlung von Rissen oder Fehlern.
Wird nun das obengenannte Verfahren der Ermittlung von Oberflächenfehlern durch visuelle Beobachtung ersetzt durch ein Verfahren zur Ermittlung von Oberflächenfehlern mittels Wirbelstrom, so besteht eine erste anwendbare Durchführungsform darin, daß eine zwangsgekühlte Spule einer mit Wasserkühlung arbeitenden Konstruktion für die Wirbelstromrißdetektorspule verwendet wird, und daß ein zu inspizierendes Material durch die Spule in deren Axialrichtung bewegt wird. In diesem Fall jedoch, stellt sich ein Nachteil dahingehend ein, daß dann, wenn eine abgeglichene Brückenschaltung verwendet wird, um das Wirbelstromrißdetektorsignal von der Spule zu erfassen, wie dies bei gewöhnlichen Wirbelstromrißdetektoreinrichtungen der Fall ist, daß dann die Kapazität, Oberflächendefekte relativ geringer Größe zu ermitteln, nicht mehr ausreichend ist, mit dem Ergebnis, daß die Materialien mit Oberflächendefekten relativ geringer, jedoch unzulässiger Größe in solchen als brauchbar befundenen Materialien auftreten würden; darüber hinaus kann der Spalt zwischen dem Spuleninnendurchmesser und dem Außendurchmesser der zu inspizierenden Materialien nicht groß genug gemacht werden, mit dem Ergebnis, daß jedesmal dann, wenn Materialien unterschiedlichen Außendurchmessers inspiziert werden sollen, die Spule durch eine mit dem entsprechenden Innendurchmesser ersetzt werden müsste.
Während nach einem alternativen Verfahren eine Wirbelstromdetektorsonde der Bauart, wie sie zur Ermittlung von Defekten in Stumpfschweißzonen stumpfgeschweißten Rohren verwendet wird, in Betracht gezogen werden kann, verbleibt doch das obenerwähnte Problem der nicht zufriedenstellenden Ermittlungskapazität selbst in diesem Fall-ungelöst. Darüber hinaus kann der Spalt zwischen der Sonde und der Oberfläche des zu inspizierenden Materials nicht breit genug gemacht werden, damit die mit Wasser kühlende Kontruktion großer Abmessung ver-
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wendet werden muß, um die Kühlkapazität zum Kühlen der Sonde zu steigern, was somit Anlaß für viele ungelöste Probleme gibt, wie beispielsweise die Schwierigkeit, die Größe bzw. die Tiefe von den Defekten in verschiedenen Bereichen zu diskriminieren und eng das Material auf Defekte über die gesamte Oberfläche zu inspizieren. Besonders extreme Schwierigkeiten stellen sich ein, um wirksam lineare Oberflächendefekte oder Rißfehler zu ermitteln, die runden Knüppeln oder dergleichen eigen sind und die sich in Axialrichtung in den Produkten erstrecken.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Oberflächenfehler ermittelnde Vorrichtung vorzuschlagen, wodurch metallisches Material mit kreisförmiger Außengestalt sowie runde Knüppel, runde Stangen, Stahlrohre oder dergleichen auf Oberflächenfehler über deren gesamte Oberfläche hin nicht-kontaktierend, während sie durch die Förderstraße geführt werden, untersucht werden können. Dies soll insbesondere auch dann möglich sein, wenn die Materialien sich auf erhöhter Temperatur befinden.
Erreicht wird dies überraschend bei einer Vorrichtung zur Ermittlung von Oberflächenfehlern der eingangs genannten Art durch ein zylindrisches um seine Achse bei konstanter Geschwindigkeit drehbares Element, das in der Förderstraße zum Zuführen metallischer zu untersuchender Materialien mit kreisförmiger Außengestalt in Richtung von deren zentralen Achse angeordnet ist, derart, daß eine Vertikalbewegung sowie eine Bewegung von der einen Seite zur anderen unter rechten Winkeln zur Straße möglich wird, wodurch das Material bei konstanter Geschwindigkeit längs der Förderstraße in Richtung von seiner Mittelachse durch das zylindrische Element bewegt wird. Eine Vielzahl von Wirbelstromfehlerdetektorsensoren. sowie ein Entfernungsdetektorsensor» je mit einer Spule versehen, sind auf eben diesem Kreis an einem Ende des zylindrischen Elementes derart angeordnet, daß die Entfernung jedes Sensors von der Mitte des zylindrischen Elementes innerhalb eines bestimmten Bereichs einstellbar ist. Am anderen Ende des zylindrischen Elementes
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befindet sich die Drehscheibe eines Drehwinkeldetektors, um den Drehwinkel des zylindrischen Elementes zu ermitteln; eine auf dem festen Teil angeordnete Detektorspule steht einer Vielzahl von Vorsprüngen gegenüber, die unter gleichen Abständen auf dem Außenumfang der Scheibe angeordnet sind, wobei der Drehwinkel detektor ' aus der Scheibe und der Detektorspule besteht.
Die Vorrichtung nach der Erfindung lässt sich innerhalb eines bestimmten Bereichs bei Materialien unterschiedlicher Außendurchmesser anwenden, ohne daß es notwendig würde, die Rißdetektorspule oder -spulen zu verändern.
Mit der Vorrichtung nach der Erfindung wird es zudem möglich, Oberflächendefekte, die von Defekten geringer Tiefe bis zu großen Defekten reichen, bei hohem Genauigkeitsgrad nachzuweisen, ohne daß ein Einfluß durch ein Biegen der zu untersuchenden Materialien in Kauf genommen werden müsste und ohne daß es notwendig wäre, die Materialien um ihre Achse zu drehen; es genügt vielmehr, die Materialien bei konstanter Geschwindigkeit in deren axiale Richtung zu bewegen.
Bei der Vorrichtung nach der Erfindung werden die Wirbelstromfehlerdetektorsensoren, der Entfernungsdetektorsensor sowie die Drehscheibe auf dem zylindrischen Element gelagert, so daß dann, wenn das zylindrische Element außen in Drehung versetzt wird, sie zusammen mit der Drehung des zylindrischen Elements auf seiner Achse gedreht werden. Diese drehenden Teile kommen nahe an die Oberfläche der zu untersuchenden Materialien; somit wird eine Kühlkonstruktion mit eingebaut, um diese Teile zu kühlen, wenn die Materialien sich auf hoher Temperatur befinden. Das zylindrische Element kann beispielsweise drehbar auf einem Wagen gelagert sein; die Detektorspule ist an dem Wagenkonstruktionsteil, der stationär bezüglich der Drehung des zylindrischen Elementes ist, befestigt. Zwischengeschaltet zwischen zylindrisches Element und Wagenbauteil sind Signalübertragungseinrichtungen wie Schlupfringe oder Drehkopplungstransformat.oren, die Detektor-
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signale von den Sensoren aufnehmen; die Detektor- oder Ermittlungssignale von den rotierenden Sensoren werden auf den sich nicht drehenden Wagenbauteil übertragen. Zusätzlich sind Längenmeßeinrichtungen zum Messen der geförderten Länge wie ein Impulsgenerator für Materialvorschubseinrichtungen -wie Rollen vorgesehen, wodurch das Detektorsignal dieser Längenmeßeinrichtung sowie das Detektorsignal der Riß- und Entfernungsdetektorsensoren und des Drehwinkeldetektors an eine arithmetische Einheit gegeben werden, die ihrerseits eine Ausgangsinformation, welche Größe und Ort des ermittelten Defekts beinhaltet, erzeugt. Eine Regeleinrichtung für die selbsttätige Ausrichtung ist vorgesehen, die auf Detektorsignale von dem Entfernungsdetektorsensor sowie dem Drehwinkeldetektor anspricht, so daß die Bewegung des zylindrischen Elementes vertikal und von Seite zu Seite derart geregelt wird, daß Fehlerdetektorsensoren immer konzentrisch mit dem Außenumfang des zu inspizierenden Materials gedreht werden. Mit der Oberflächenfehlerermittlungseinrichtung nach der Erfindung lassen sich durch Verwendung eines Wirbelstromfehlerdetektorkreises der Phasendetektorbauart mit einem Rückkopplungsverstärker, an den eine positive Rückführung über einen Teil der
Fehlerdetektorspule gelegt wird, die Linearisierung der Eingangs- und Ausgangscharakteristik sowie ein Anstieg in dem Detektorbereich der Größe (Tiefe) der Defekte mit dem Ergebnis erreichen, daß der Spalt zwischen dem zu inspizierenden Material und dem Fehlerdetektorsensor ausreichend groß gemacht werden könnte: somit können selbst Materialien bei hoher Temperatur auf Oberflächenfehler über die gesamte Fläche bei hohem Grad von Empfindlichkeit und Genauigkeit, ohne daß eine Überhitzung der Spule heraufbeschworen wird, inspiziert werden. Weiterhin kann aufgrund der Tatsache, daß mit der Oberflächendefektdetektoreinrichtung nach der Erfindung die Fehlerdetektorgeschwindigkeit nach Wunsch verändert werden kann, indem man in geeigneter Weise die Drehgeschwindigkeit der Fehlerdetektorsensoren durch das zylindrische Element sowie die Anzahl der Fehlerdetektorsensoren wählt, von der Notwendigkeit abgesehen
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werden, die Förderstraßengeschwindigkeit der zu inspizierenden Materialien herabzusetzen; in gewissen Fällen lässt sich die Vorschubsgeschwindigkeit sogar erhöhen.
Bei Materialien mit einer Durchbiegung kann aufgrund der vorgesehenen Ausrichtre'geleinrichtungj die selbsttätig die Drehung des FeMerdetektorsensors korrigiert, um so immer konzentrisch mit dem Außenumfang des Materials zu sein, der Effekt am Fehlerdetektorsignal einer Änderung im Spalt zwischen dem Sensor und dem Material positiv eliminiert werden; ein hoher Genauigkeitsgrad kann für die Ermittlungsergebnisse sichergestellt sein.
Von der Fehlerermittlungseinrichtung gefundene Fehlerdaten nach der Erfindung umfassen Ort und Größe der Defekte für jedes zu inspizierende Material; durch Verwendung dieser Daten wird es also möglich, wirksam die gewünschten Konditioniervorgänge wie beispielsweise das Markieren der Defekte, das Herausschneiden mittels einer Warmsäge, die Zurückweisung fehlerbehafteter Materilien etc. vorzunehmen und diese Vorgänge sogar zu automatisieren. Weiterhin wird es möglich, das Vorhandensein eines Grundes oder von Gründen für Defekte im Walzvorgang, den die Materialien erlitten haben, nachzuweisen wie beispielsweise in dem Fall, daß die Defekte ähnlicher Größe und Gestalt an ähnlichem Ort in einer Vielzahl von Materialien aufgefunden werden; die Daten lassen sich zur Walzstufe als Kontrollinformation für die Produktionsstraße von zu inspizierenden Materialien rückführen.
Es kann also eine genaue Rückführung der Daten ohne eine Verzögerung bezüglich des Warmwalzens von Materialien, eine Information, die zwischen brauchbaren und defekten Produkten diskriminiert, sowie eine Information für die Herstellung von Markierungen entsprechend der Größe der Defekte etc. entsprechend
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Ort und Größe (Tiefe) der ermittelten Oberflächendefekte erhalten werden.
Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in
Fig. 1 ein Schaltdiagramm mit der Grundkonstruktion eines Fehler- oder Rißermittlungssystems in einer Vorrichtung nach der Erfindung zum Ermitteln von Oberflächenfehlern;
Fig. 2 einen Teillängsschnitt einer Ausführungsform der mechanischen Konstruktion der Oberflächenfehlerermittlungseinrichtung nach der Erfindung;
Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linie IH-III in Fig. 2; Fig. 4 ist ein Schnitt längs IV-IV der Fig. 2; und
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Systems zur elektrischen Signalverarbeitung in Kombination mit der mechanischen Konstruktion der Fig. 2.
Nach Fig. 1 wird ein zu untersuchendes Material 1, beispielsweise ein warmer Knüppel, der bei konstanter Geschwindigkeit in Richtung des Pfeiles A ohne Drehung um seine Achse vorgeführt wird, durch ein zylindrisches Element 2 bewegt. Das zylindrische Element 2 dreht sich bei konstanter Geschwindigkeit in Richtung des Pfeiles B; Wirbelstromfehlerdetektrospulen 3 sind an Orten nahe der Umfangswandung des zylindrischen Elenentes 2 vorgesehen, wodurch die Außenfläche des durch das zylindrische Element 2 in Axialrichtung (Pfeil A) geführten Materials 1 spiralförmig über die gesamte Oberfläche durch die Spulen 3 abgetastet wird. Ein durch jede Spule abgetastetes Signal wird an einen Signaldetektorkreis 5 auf dem sich nicht drehenden Teil über Signalübertragungseinrichtungen 4 gelegt, wobei letztere aus einem Schleifring oder
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einem Drehkopplungstransformator bestehen; der Signaldetektorkreis 5 erzeugt ein Fehlersignal. Anders ausgedrückt, der Wirbelstromfehlerdetektorsensor 10 wird gebildet durch die Spule 3 sowie den Signaldetektorkreis 5. Der Fehlerdetektorkreis des Sensors 10 hat die in Fig. 1 gezeigte Grundkonstruktion. Insbesondere ist der Sensor 10 so ausgelegt, daß ein Wechselstromsignal fester Frequenz an die Spule 3 von einem Bezugssignalgenerator 6 über einen Verstärker 7 gelegt wird, so daß ein Wirbelstrom in dem Teil des Materials 1 kurz unterhalb der Spule 3 erzeugt wird; eine Änderung in dem einem Defekt im Material T zugeordneten Wirbelstrom wird als Veränderung der Spulenimpedanz festgestellt, woraufhin ein Fehlerdetektorausgangssignal (Fehlersignal) von einem Phasendetektor 8 geliefert wird. Ein Phasenschieber 9 (Fig. 1) erzeugt Synchronisiersignale für Phasendetektorzwecke. Wenn in diesem Fall E. die Eingangsspannung oder das Bezugsfrequenzsignal zum Verstärker 7 und Z1 und Z9 die Impedanzen der beiden die Fehlerdetektorspule 3 bildenden Spulenelemente bedeuten, so wird das resultierende Ausgangssignal E des Verstärkers 7 gegeben durch
Eout ~ Ein Z1
1 - G-TT-T-,
In der vorstehenden Gleichung bedeutet G die Verstärkung des Verstärkers 7.
Durch geeignete Wahl des Wertes der Spulenimpedanzen Z1 und Z„ und Normbedingungen wird es möglich, das Rückkopplungsverhältnis des Kreises zu verändern; auch durch Veränderung des Verstärkungsgrads des Verstärkers 7 und der Fehlerdetektorphase θ wird es möglich, den Bereich zu verändern, in welchem ein Ausgang mit guter Linearität bezüglich der Tiefe der Defekte hergestellt werden kann. Als Ergebnis wird selbst dann, wenn der Spalt zwischen der Spule 3 und der Oberfläche des Materials
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-VL-
um bis zu 7 bis 10 mm vergrößert wird, eine. Schaltkreisauslegung hergestellt werden, die für eine Sensorcharakteristik mit ausgezeichneter Linearität und somit für eine Oberflächendefektermittlung bei hohem Genauigkeitsgrad sorgt; hierdurch wird nicht nur der Temperatureffekt aufgrund der Materialien bei hohen Temperaturen vermindert, sondern auch die gewünschte automatische Nicht-Kontaktfehlerermittlung der Materialien in der Warmwalzstraße mittels einer einfachen Kühlkonstruktion herbeigeführt und darüberhinaus können die Abmessungstoleranzgrenzen in der Auslegung zur Anordnung der Spulen 3 auf dem zylindrischen Element 2 verbreitert werden.
Zusätzlich zu den Spulen 3 der Fehlerermittlungssensoren 10 wird eine andere Spule 11 der gleichen Konstruktion auf dem zylindrischen Element 2 auf dem gleichen Kreis wie die Spulen nach Fig. 3 angeordnet; obwohl nicht dargestellt, ist die Spule 11 mit einem anderen Signaldetektorkreis verbunden, der identisch dem Signaldetektorkreis 5 der Fig. 1 ist, nur daß der Phasendetektor 8 und der Phasenschieber. 9 durch einen Detektor ersetzt sind, der den Ausgang des Verstärkers 7 einem Linearnachweis aussetzt und so einen entfernungsermittelnden Sensor 12 (Fig. 5) bildet. Der die Entfernung ermittelnde Sensor 12 ist vorgesehen, um die Entfernung (den Spalt) zwischen den Spulen (3) der Fehlerermittlungssensoren 10 und der Oberfläche des Materials 1 zu messen.
In Fig. 1 ist auch mit dem Bezugszeichen 13 ein Drehwinkeldetektor vorgesehen, der den Drehwinkel des sich drehenden zylindrischen Elementes 2 durch Impulsermittlung erfasst und mit 15 ist eine Längenmesseinrichtung, beispielsweise ein Impulsgenerator bezeichnet, der durch Impulszählen die Vorschublänge des Materials 1 aus der Zahl von Umdrehungen der das Material 1 fördernden Rollen-14 zählt.
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Nach der Erfindung wird die FÖrder- oder Vorschublänge des Materials 1 ausgedrückt als eine Impulszahl durch die- Längenmesseinrichtung 15 gemessen; der Drehwinkel des zylindrischen Elements 2 wird auch durch Impulszählung vermittels des Drehwinkeldetektors 13 gemessen, wodurch Ort und Größe der Fehler in der Oberfläche des Materials 1 entsprechend den resultierenden Impulszahlen und dem Fehlerermittlungsausgangssignal (Fehlersignal) des Fehlerermittlungssensors 10 gemessen. Ebenfalls abhängig von den Ermittlungssignalen des entfernungsermittelnden Sensors 12 und der Impulszahl des Drehwinkeldetektors 13 werden Größe und Richtung der Exzentrizität des Drehweges der fehlerermittelnden Spulen 3 bezüglich der Außenfläche des Materials 1 gemessen; das zylindrische Element 2 wird vertikal von einer Seite zu anderen unter rechten Winkeln zu seiner Axialrichtung bewegt, so daß die Exzentrizität auf Null reduziert und hierdurch eine selbsttätige Ausrichtungsregelung herbeigeführt wird.
Anhand der Figuren 2 bis 5 soll nun die mechanische Konstruktion sowie die Konstruktion des für die Verarbeitung des elektrischen Signals für eine Vorrichtung der vorbeschriebenen Art erläutert werden.
Nach den Figuren 2, 3 und 4 ist das zylindrische Element 2 auf seiner Innenfläche mit einer wärmeisolierenden Schicht 16 versehen und umfasst an einem Ende die Wirbelstromfehlerdetektorspulen 3 sowie die Entfernungsdetektorsensorspule 11 und am anderen Ende den Drehwinkeldetektor 13 mit einer Drehscheibe 17 entsprechend Fig. 4 sowie eine Antriebsscheibe 18. Zwischen diesen Elementen sind die Signalübertragungseinrichtungen 4 mit Schleifringen 21 vorgesehen, die am Gehäuseteil zwischen den Lagern 19 und 20 angeordnet sind. Das zylindrische Element 2 wird bei konstanter Geschwindigkeit durch die Riemenscheibe 18 in Drehung versetzt, welche von einem Motor 23 über einen Keilriemen 22 angetrieben wird. Auf diese Weise werden die
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Spulen 3 und 11 sowie die Drehscheibe 17 zusammen mit dem zylindrischen Element 2 in Drehung versetzt.
Nach der dargestellten Ausführungsform sind vier Einheiten der Fehlerdetektorspule 3 unter gleichem Abstand angeordnet; die Fehlerdetektorspulen 3 und die Entfernungsdetektorspule 11 sind jeweils durch Positionsmechanismen 24 und 25 in radialer Richtung des zylindrischen Elements 2 innerhalb eines gewissen Bereichs beweglich, so daß sämtliche dieser Spulen auf dem gleichen Kreis bei einem gewünschten Radius von der Mitte des zylindrischen Elements 2 aus positioniert sind.
Drehbar ist das zylindrische Element 2 durch Lager 19 und auf einer Hubeinrichtung 29 eines Wagens 28 gelagert, der mittels Rädern 27 auf Schienen 26 bewegbar und stillsetzbar ist, wobei die Schienen horizontal unter rechten Winkeln zur Vorschubsrichtung (Richtung des Pfeiles A) des Materials 1 angeordnet sind; die vertikale Lage des zylindrischen Elementes 2 ist durch die Hubvorrichtung 29 unter rechten Winkeln zur Laufrichtung des Materials 1 verstellbar. Der Wagen 28 ist auf Schienen 26 vermittels einer nicht dargestellten Antriebsquelle bewegbar; hier ist ebenfalls eine Verschiebeeinrichtung 30 (Fig. 5) vorgesehen, wodurch, wenn das zylindrische Element 2 in seine Lage auf der Förderbahn für das Material 1 gebracht ist, die Wirkung der Antriebsquelle so geregelt wird, daß der Wagen 28 sich ein kleines Stück vor und zurück bewegen kann.
Das zylindrische Element 2 wird durch die Hubvorrichtung 29 aus Gründen der vertikalen Ausrichtung bezüglich der Achse des Materials 1 bewegt; das zylindrische Element 2 wird auch durch die Verschiebeeinrichtung 30 von einer Seite zur anderen (in der Zeichenebene der Fig. 2 -nach vorne und rückwärts) zum Zwecke einer Ausrichtung bezüglich der Achse des Materials bewegt. Aufgrund dieser zusammengesetzten Bewegung wird die Größe der Exzentrizität zwischen dem zylindrischen Element und dem Material 1 auf Null vermindert. In Fig. 2 ist eine
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Schutzrolle 31 auf jeder Seite der Fehlerdetektorspule 3 gezeigt, um zu verhindern, daß diese die Oberfläche des Materials 1 kontaktiert und, obwohl in Fig. 2 nicht gezeigt, sind ähnliche Rollen auf den Seiten der Entfernungsdetektorsensorspule 11 vorgesehen.
Während die Spulen 3 an vier Stellen gelagert sind, die beispielsweise um OL /2 unter Abstand zueinander -siehe Fig. 3, die eine beispielsweise Ausführungsform der Anordnung von Fehlerdetektorspulen bezüglich des zylindrischen Elementes 2 zeigt- angeordnet sind, kann die Anzahl der Spulen nach Wunsch gewählt werden; bezeichnet N die Anzahl der verwendeten Spulen 3, so wird die Beziehung zwischen der Umdrehungszahl η (Upm) des zylindrischen Elementes sowie die Fördergeschwindigkeit V (m/Min) des Materials 1 gegeben mit
V = NLn X 1O~3 (m/Min).
In der Gleichung bezeichnet L die Wirklänge (mm) der Spulen in Axialrichtung (in Richtung des Pfeiles A) und somit wird es durch Vornahme der Fehlerermittlung mit der Beziehung zwischen der Vorschubgeschwindigkeit V und der Anzahl der Umdrehungen n, die die obengenannte Gleichung erfüllt, möglich, eng spiralförmig die Außenfläche des Materials über seine gesamte Oberfläche abzutasten.
In Fig. 2 bezeichnet 32 Wasserkühlkreise mit Zuführungsleitungen, die so angeordnet sind, daß sie Kühlwasser an die Träger 35 und 36 für die Spulen 3 und 11 durch die Innenseite einer Wasserzuführung und eines Ablaufrings 33 führen, der auf dem sich nicht-drehenden Teil der Hubvorrichtung 29 angeordnet ist; und durch einen Flanschteil 34 führen, der in Gleitkontakt mit dem Ring 33 steht und Leitungen beliefert, die Wasser beispielsweise an die Spiralkanäle im Gehäuseteil des zylindrischen
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Elements 2 vermittels der Zentrifugalkraft aufgrund ihrer Rotation liefern, wodurch eine Überhitzung der Spulen und des zylindrischen Elements durch das Zwangskühlen der Wasserkühlkreise 32 verhindert wird. Während nach Fig. 2 die Signalübertrageeinrichtung 4 zur elektrischen Verbindung der Fehlerdetektorspulen 3 und Entfernungsdetektorsensorspule 11 auf dem sich drehenden Teil mit den Signaldetektorkreisen auf dem sich nicht-drehenden Teil Schleifringe 21 im Gehäusemittelabschnitt des zylindrischen Elementes 2 aufweisen, so lassen sich diese durch Drehkupplungstransformatoren ersetzen, von denen jeder ein auf dem sich nicht drehenden Teil gelagerten Außenringkern umfasst und ein Innenringkern auf dem sich drehenden Teil konzentrisch und unter einem kleinen Spalt zum Außenringkern angeordnet ist, wobei Wicklungen auf den Kernen vorgesehen sind, wodurch stationäre Spulenausbildungen durch den äußeren Ringkern und die beweglichen (Dreh)spulenausbildungen durch den Innenringkern geschaffen werden und hierdurch die Fehlerdetektorspulen 3 sowie die Entfernungsdetektorsensorspule 11 mit den stationären Spulenausbildungen durch die bewegliche Spuleneinrichtung gekoppelt werden: hierdurch werden die Signale von den Spulen 3 und 11 auf dem sich drehenden Teil auf den sich nicht-drehenden Teil übertragen. Entsprechend dem gleichen obengenannten Prinzip des Entfernungsdetektorsensors 12 erzeugt der Drehwinkeldetektor 13 Impulssignale einer Periode, die dem Drehwinkel des zylindrischen bei konstanter Geschwindigkeit sich drehenden Elements 2 entspricht und umfasst noch die Drehscheibe 12 und eine Detektorspule 37 nach Fig. 4. Die sich drehende Scheibe 17 kann beispielsweise eine Vielzahl von Vorsprüngen auf ihrem Außenumfang in Intervallen von 10° umfassen; die Vorsprünge umfassen einen einzigen Bezugsvorsprung 38 großer Höhe sowie verbleibende Vorsprünge 39 relativ geringer Höhe. Die Detektorspule 37 erzeugt Impulse, deren Amplitude proportional zur Höhe der Vorsprünge bei einer Periode ist, die abhängig von der Drehgeschwindigkeit der Drehscheibe 17 ist; somit wird eine Gesamtheit von 36 Impulssignalen einschließlich eines einziges Bezugsimpulses
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großer Amplitude von der Detektorspule 37 für jede Umdrehung der Drehscheibe 17 erzeugt. Da die relativen örtlichen Winkelbeziehungen zwischen dem bezugsimpulserzeugenden Bezugsvorsprung 38 sowie die Spulen 3 und 11 durch die Anordnung der Spulen 3 und 11 sowie der Drehscheibe 17 auf dem zylindrischen Element 2 vorgegeben sind, werden die Fehlersignale von den Fehlerdetektorspulen 3 sowie das Spaltdetektorsignal aus der Distanzdetektorsensorspule 11 den Winkelstellungen auf der Außenfläche des durch diese Impulssignale zu inspizierenden Materials zugeordnet. Die Längenmeßeinrichtung 15 misst auch die Axiallänge des Materials 1, indem sie Impulse zählt, von denen jeder einer Einheitslänge des Materials 1 entspricht; das Fehlersignal wird dem Ort des Fehlers in Materiallängsrichtung durch den Ausgangsimpuls der Längenmeßeinrichtung 15 zugeordnet.
Die Konstruktion eines Verarbeitungssystems für elektrische Signale zur Durchführung der obengenannten Signalverarbeitung kann beispielsweise von der in Fig. 5 gezeigten Art sein. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 10 den Wirbelstromfehlerdetektorsensor mit seiner Spule 3 sowie dem Signaldetektorkreis 5, wobei der Entfernungsdetektorsensor die Entfernungsdetektorsensorspule 11 sowie den zugeordneten Signaldetektorkreis umfasst; 13 ist der Drehwinkel des Detektors mit Drehscheibe 17 und Detektorspule 37; 15 ist die Längenmeßeinrichtung mit einem Impulsgenerator oder dergleichen; 40 ein Spitzendetektor zur Ermittlung des Spitzenwertes eines Fehlersignals aus dem Fehlerdetektorsensor 10; 41 ein Verstärker; 42 ein automatischer Verstärkerregelkreis (AGC-Kreis) zum Regeln der Verstärkung des Spitzendetektors 40 zum Kompensieren des Amplitudenwerts des Fehlersignals ensprechend einer Änderung in der Amplitude des Spaltdetektorsignals vom Entfernungsdetektorsensor 12; 43 ist eine arithmetische Einheit, die den Spitzenwert des vom Spitzendetektor 40 ermittelten Fehlersignals, das Winkellagesignal vom Drehwinkeldetektor 13 sowie die Längendetektorimpulse von den Längenmeßeinrichtungen 15 empfängt, wobei aus diesen Signalen ein Fehlerdetektorausgangssignal sowie eine Ortsinformation erzeugt werden; 44 ist ein
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Aufzeichner für Angabe und Aufzeichnung der Ausgangsinformationen der arithmetischen Einheit 43; 45 eine Markiervorrichtung, die so ausgebildet ist, daß sie sich durch die Ausgangsinformation des arithmetischen Kreises regeln lässt, wodurch beispielsweise Ort und Größe des Fehlers in dem zu untersuchenden Material markiert werden; 46 ist ein selbsttätiger Ausrichtungsregler, der auf die Detektorsignale vom Entfernungsdetektorsensor sowie dem Drehwinkeldetektor 13 anspricht, wodurch die Arbeitsweise der Hubvorrichtung 29 sowie der Verschiebeeinrichtung 30 geregelt wird, welche das zylindrische Element 2 vertikal von Seite zu Seite bewegen.
Der Spitzenwert jedes Eehlersignals aus dem einzigen oder aus einer Vielzahl von Fehlerdetektorsensoren 10 nach Fig. 3 wird durch den Spitzendetektor 40 ermittelt'und der Spitzenwert wird dann an die arithmetische Einheit 43 durch den Verstärker 41 gegeben. Andererseits ermittelt der Entfernungsdetektorsensor 12 die Größe des Spaltes zwischen den Spulen 3 und 11 und das Material 1 setzt abhängig vom Detektorsignal aus dem Entfernungsdetektorsensor 12 den AGC-Kreis 42 dem Ausgangsspitzenwert des Spitzendetektors 40 einer selbsttätigen Verstärkungsregelung aus, wodurch das Fehlersignal, welches mit einer Änderung im Spalt variiert, kompensiert wird. Auf diese Weise werden Änderungen im Niveau des Fehlersignalspitzenwertes aufgrund von Änderungen im Spalt zwischen dem Material 1 und der Spule 3 praktisch vollkommen eliminiert. Der durch den Spitzendetektor 14 ermittelte Fehlersignalspitzenwert wird auf ein gewünschtes. Niveau durch den Verstärker 41 verstärkt und wird dann an die arithmetische Einheit 43 gegeben. Da die auf diese Weise angelegten Eingangssignale einfach anzeigen, daß gewisse Fehlersignale auf der Zeitbasis angeordnet sind, ist es somit unmöglich, ihre entsprechende Beziehung zu den Defektbereichen auf der Oberfläche des Materials allein aus diesen Signalen abzuleiten. Als Ergebnis bestimmt abhängig von
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dem Drehwinkeldetektorimpulssignal aus dem Drehwinkeldetektor 13 und dem Längendetektorimpulssignal aus der Längenmeßeinrichtung 15. die arithmetische Einheit 43 den Ort des Defekts in der Materialoberfläche zum ErzeugungsZeitpunkt jedes Fehlersignals entsprechend dem Drehwinkel des zylindrischen Elementes 2, wie er auf der Basis der Positionsbeziehungen zwischen dem Bezugsvorsprung 38 und den Spulen 3 und 11 und der gemessenen Länge bestimmt ist, wenn man als Bezugspunkt den Ausgangsimpuls verwendet, wie er aus den Längenmeßeinrichtungen 15 bei Erfassen des vorderen Endes des Materials 1 durch den Distanzdetektorsensor 12 erzeugt wird. Auf diese Weise erzeugt die arithmetische Einheit 43 ein Fehlersignal sowie eine Positionsinformation; der Rekorder oder Aufzeichner 44 besteht beispielsweise aus einer Registrierfeder, die die Größe des Defekts entsprechend der Ortsinformation auf Registrierpapier oder dergleichen aufzeichnet. Die Markiervorrichtung 45 speichert zeitweise mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung oder dergleichen die Ausgangsinformation der arithmetischen Einheit 43, die eine Angabe für Größe und Ort des Defektes gibt; nach einem bestimmten Zeitpunkt wird der defekte Bereich im entsprechenden Material mit einer Farbe entsprechend der Tiefe des Defekts entsprechend dem gespeicherten Inhalt markiert.
Die aus der arithmetischen Einheit 43 abgeleitete Information umfasst die Größe und den Ort des Defekts in der Außenfläche des Materials; somit wird es möglich, zu einem relativ frühen Zeitpunkt und genau das Auftreten einer Situation zu ermitteln, wo eine Vielzahl zu inspizierenden Materialien ähnliche Defekte an ähnlichen Orten umfassen. Zurückzuführen ist dies auf Verformungsvorgänge vor der Fehlererfassung der Materialien und somit wird es durch Rückführung bzw. Rückkopplung der Ausgangsinformation der arithmetischen Einheit an die vorhergehende Walzstraße als Kontrollinformation beispielsweise möglich, das Auftreten von Fehlern erheblich zu vermindern.
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Nach Fig. 5 regelt der selbsttätige Ausrichtregler 46 selbsttätig den Ausrichtvorgang, wobei abhängig von den Spaltdetektorsignalen aus dem Entfernungsdetektorsensor 12 und den Drehwinkeldetektorimpulssignalen aus dem Drehwinkeldetektor 13 die Hubvorrichtung 29 und die Verschiebevorrichtung 30 derart geregelt werden, daß eine Abweichung zwischen irgend zwei um 180° auseinander gelegenen Spaltdetektorsignalen immer auf Null für jede Drehwinkelposition gebracht wird und das zylindrische Element 2 vertikal von Seite zu Seite derart bewegt wird, daß die Drehwege der Spulen 3 und 11 immer konzentrisch mit dem Außenumfang des Materials 1 kurz unterhalb den Spulen 3 und 11 sind, wodurch jeder Fehler in den Ergebnissen der Fehlerermittlung aufgrund des Biegens im Material 1 eliminiert werden.
Während nach Fig. 5 die Ausgangsinformation der arithmetischen Einheit 43 als Regelinformation für die Markiervorrichtung 45 verwendet wird, wird es auch möglich, die Information zu dem Zwecke zu verwenden, die Schneidstellungen des Materials mittels einer Warmsäge festzulegen, um Materialien entsprechend der Größe der Defekte zu sortieren. Auch wird es möglich, die Information als Regelinformation in der vorhergenannten Weise zu dem Zweck zu verwenden, beispielsweise das Kaliberprogramm der Warmwalzstraße zu verändern, zu dem Zweck, die Walzen zu wechseln oder zu dem Zweck, Erhöhung oder Verminderung beim Brennputzen zu wählen und dergleichen.
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DIPLOM-OrtiMJKER UND PAfENTANWALr D-8032 LOCHHAM/MONCHEN MOZARTSIRASSE 24 TELEFON: (089) 87 25 51 TELEXs (05) 29830 steff ά IHR ZEICHEN: MEIN ZEICHENjSatO-1 7/LW Nippon Kokan Kabushiki Kaisha 1-2 Marunouchi-1-chome, Chiyoda-ku, Tokyo/Japan Vorrichtung zur Ermittlung von Oberflächenfehlern an metallischen Gegenständen PATENTANSPRÜCHE
1.) Vorrichtung zur Ermittlung von Oberflächenfehlern mit Einrichtungen, die ein metallisches zu untersuchendes Material kreisförmiger Außengestalt' in Axialrichtung bei bestimmter Geschwindigkeit zuführen, gekennzeichnet durch ein zylindrisches Element (2) mit einem Innendurchmesser, der ausreicht, um das metallische Material (1) innenseitig durchzuführen, wobei das zylindrische Element (1) längs dessen Achse bei konstanter Geschwindigkeit drehbar ist; durch wenigstens einen Fehlerdetektorsensor mit einer Wirbelstromfehlerdetektorspule f3), die auf dem zylindrischen Element, gelagert und gegen die Achse des zylindrischen Elementes gerichtet ist und der Außenfläche des metallischen Materials über einen Spalt gegenübersteht; durch einen die Größe des Spalts messenden Entfernungsdetektorsensor (12), der eine Entfernungsdetektorsensorspule auf dem zylindrischen Element seitlich neben der Wirbelstromfehlerdetektorspule in Umfangsrichtung des zylindrischen Elements unter der gleichen Entfernung von dessen Achse wie die Wirbelstromfehlerdetektorspule aufweist; durch Einrichtungen, die mittels Lagern das zylindrische Element tragen und es in einer Transferstraße für das metallische Material vertikal und von
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POSTSCHECKKONTO MÖNCHEN 1995 20-805 / BANKVERBINDUNG : BAYER. VEREINSBANK MÖNCHEN NR. 905 200 (BLZ-700 202 70)
Seite zu Seite unter rechten Winkeln zu dieser Transferstraße bewegen; Signalübertragungseinrichtungen, die so angeordnet sind, daß sie Ausgangssignale der Wirbelstromfehlerdetektorspule und der Entfernungsdetektorsensorspule von dem zylindrischen Element auf einen sich nicht-drehenden Teil übertragen; Drehwinkeldetektoreinrichtungen (13), die momentan die Drehwinkeländerung des zylindrischen Elements bei jeder Drehung feststellen; Längenmeßeinrichtungen (15), die momentan die sich verändernde Vorschublänge des metallischen Materials ermitteln; eine arithmetische Einheit (43), die auf die Ermittlung von Signalen von dem Wirbelstromfehlerdetektor ansprechen, \vobei die Drehwinkeldetektoreinrichtung (13) und die Längendetektoreinrichtung (15) einen Ausgang erzeugen, der die Größe und den Ort eines ermittelten Fehlers anzeigen; einen automatischen Verstärkungsregelkreis, der auf ein Detektorsignal aus dem Entfernungsdetektorsensor (12) anspricht und eine Änderung im Niveau des Detektorsignals des Wirbelstromfehlerdetektorsensors (10) aufgrund einer Änderung im Spalt kompensiert; und selbsttätige Ausrichtregeleinrichtungen (46), die auf die Detektorsignale vom Entfernungsdetektorsensor (12) unddie Drehwinkeldetektoreinrichtung (13) ansprechen, um die vertikalen und seitlichen Bewegungen des zylindrischen Elements durch die Lageeinrichtung für das zylindrische Element derart zu regeln, daß die Wirbelstromfehlerdetektorspule immer konzentrisch mit der Außenfläche des metallischen Materials kreist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelstromfehler der Detektorspule sowie die Entfernungsdetektorsensorspule so gelagert sind, daß sie in ihrer Lage in Radialrichtung zum zylindrischen Element verstellbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl dieser Wirbelstromfehlerdetektorspulen unter gleichen Abständen in Umfangsrichtung des zylindrischen Elements angebracht sind und daß alle diese Wirbelstromfehlerdetektorspulen unter gleicher Entfernung zur Achse des zylindrischen Elements angeordnet sind.
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4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Wirbelstromfehlerdetektorsensor einen Fehlerdetektorkreis mit einem Rückkopplungsverstärker umfasst, an dem eine positive Rückkopplung über einen Teil dieser Wirbelstromfehlerdetektorspule und einen Phasendetektor gelegt wird, welcher so angeordnet ist, daß er den Ausgang des Verstärkers einer Phasenermittlung bei bestimmter Fehlerdetektorphase aussetzt.
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