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Blechdickenmessung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen von Blechdickenmessungen
nach dem Wirbelstromprinzip, bei dem eine von Wechselstrom geeigneter Frequenz durchflossene
Prüfspule in einem zwischen 0 und 8 mm liegenden Abstand an das zu messende Blech
angelegt und die Impedanzänderung der Spule bei konstant gehaltenem Strom durch
Messen der der Blechdicke entsprechenden Spulenspannung nach Amplitude und/oder
Phasenlage zum Spulenstrom bestimmt wird.
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Bei der Blechdickenbestimmung von Blechen nach dem oben angegebenen
Wirbelstromverfahren wird die Tat-sache ausgenutzt, daß eine wechselstromdurchflossene
Spule, kommt sie in die Nähe von Blechen, also metallisch leitenden Metallmassen,
ihre Impedanz ändert. Ursache hierfür sind die in
den Metallmassen
entstehenden Wirbelströme, also die durch die erzeugten magnetischen Wechselfelder
entstehenden Flußänderungen, die mit Energieverlusten verbunden sind. Wird in geeigneter
Weise der die Spule durchfließende Strom konstant gehalten, so ist die an der Spule
anliegende Spulenspannung direkt ein Maß für die Impedanz und damit auch für die
Leitfähigkeit der von den Wirbelströmen durchsetzten Metallmassen. Da diese Leitfähigkeit
einmal vom Material und zum anderen auch von dessen Dicke abhängt, die Leitfähigkeit
jedoch bei einer einzigen Rlechsorte als praktisch gleichbleibend angenommen werden
kann, ist es zulässig, die Leitfähigkeit mit der von den Wirbelströmen durchflossenen
Dicke des Materials gleichzusetzen. Damit ergibt sich aber auch, daß die Impedanz
der Prüfspule, wird sie an ein zu messendes Blech angelegt, direkt das Maß der Dicke
für dieses Blech angibt.
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Ein störender Faktor hierbei ist der Abstand der Prüfspule vom Blech.
Korrekte Messungen lassen sich auf diese Art und Weise nur erzielen, wenn die induzierende
Prüfspule direkt auf das Blech aufgelegt beziehungsweise aufgedrückt wird.
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Bei schwankenden Abständen der Prüfspule von der Blechoberseite ergeben
sich sehr große Impedanzänderungen, die eine korrekte Messung nicht mehr zulassen.
Die Schwierigkeit bei der Durchführung von Blechdickenmessungen nach dem beschriebenen
Wirbelstromverfahren besteht daher darin, daß entweder die Prüfspule abstandslos
auf das Blech aufzupressen, oder ein stets gleichbleibender Abstand zwischen der
Prüfspule und der Blechoberseite einzuhalten ist. Bei der fortlaufenden Messung
von an der Meßstelle vorbeigeführten Blechen ist es jedoch äußerst schwierig, sowohl
die Prüfspule fest auf das Blech aufzupressen, wie auch sie in einem stets gleichbleibenden
Abstand von der Blechoberseite zu führen. Messungen der Blechdicken unter Anwendung
des oben angegebenen, ansonsten sehr wirtschaftlichen Verfahrens, sind daher stets
mit einem verhältnismäßig großen
Unsicherheitsfaktor behaftet.
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Eine weitere Unsicherheit ergibt sich noch bei der Messung der der
Blechdicke entsprechenden Spulenspannung. Diese Spulenspannung kann entweder nach
ihrer Amplitude und/oder nach der Phasenlage zu dem erzeugenden Strom bestimmt werden.
Da jedoch in beiden Fällen die Spannungsänderungen sehr gering sind, ist zur sicheren
Bestimmung der Spulenspannung ein verhältnismäßig großer Aufwand erforderlich.
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Dieser große Aufwand würde derartige Geräte so sehr verteuern, daß
sie nicht abgesetzt werden könnten. Man begnügt sich daher bei den bekannten Geräten
mit einem geringeren Aufwand beziehungsweise einer verhältnismäßig großen Unsicherheit
bei der Bestimmung dieser, der Blechdicke entsprechenden Spulenspannung.
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Insgesamt ergeben sich hierdurch Meßfehler, die den Einsatz eines
derartigen Gerätes nur für untergeordnete Aufgaben, beispielsweise die Bestimmung
von Doppelblechen, möglich erscheinen lassen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, wie mit Hilfe
des Wirbelstromprinzips auf wirtschaftliche Art und Weise Blechdicken präzise bestimmt
werden können.
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Erreicht wird dies in erfindungsgemäßer Weise dadurch, daß die eine
Differenzspannung zwischen einer Vergleichsspannung, deren Vektorendpunkt in der
Nähe des Endpunktes des voraussichtlichen Spulenspannungs-Vektors liegt und der
Spulenspannung bestimmt wird.
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Nicht mehr also wie bisher wird direkt die Amplitude und/ oder die
Phasenlage des Spannungsvektors der Spulenspannung gemessen, sondern es wird eine
Differenzspannung gemessen zwischen einer, zumindest für die jeweilige Meßreihe,
konstanten Vergleichsspannung und dieser Spulenspannung. Dadurch
kann
der Ursprung der Differenzspannung so gelegt werden, daß bereits kleine Anderungen
des Spannungsvektors der Spulenspannung verhältnismäßig große Anderungen des Vektors
der Differenzspannung hervorrufen, die sodann unschwer, auf jeden Fall ohne großen
Aufwand, gemessen und damit letzten Endes auch die Impedanzänderungen bestimmt werden
können. Die Messung ist jedoch damit nicht nur vereinfacht worden, gelingt also
auf wirtschaftliche Art und Weise, sondern sie ist auch wesentlich genauer geworden,
da der Meß-Unsicherheitsfaktor weggefallen ist. Dies ist insbesondere dann zutreffend,
wenn der Vektorendpunkt der Vergleichsspannung innerhalb der konkav gekrümmten Ortskurve
liegt, die vom Vektorendpunkt der Spulenspannung bei auf das Blech aufgelegter Spule
(Abstand = 0) beim Durchfahren der zu messenden Blechdicken erzeugt wird. Innerhalb
des Meßbereichs, also zwischen einer Blechdicke von 0 bis etwa 8 mm, kann hierbei
eine Phasenlagenänderung der Differenzspannung von über 1800 hervorgerufen werden,
die selbstverständlich auch entsprechend präzise mit verhältnismäßig einfachen Meßgeräten
festzustellen ist.
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Gelingt es auf diese Art und Weise, den Unsicherheitsfaktor beim Messen
der Spulenspannung zu beseitigen, so gelingt es auch in Weiterbildung der Erfindung,
die Einwirkung des Abstandes der Prüfspule von der Blechoberfläche dadurch zu eliminieren,
daß der Vektorendpunkt der Vergleichsspannung im Kreuzungsbereich der verlängerten
(angenäherten) Geraden liegt, die, bei jeweil gleichbleibenden Blechdicken, vom
Vektorendpunkt der Spulenspannung bei unterschiedlichem Abstand von der Blechoberfläche
erzeugt werden. Innerhalb eines praktikablen Bereiches zwischen 0 und 8 mm muß daher
dieser Abstand zwischen Prüfspule und Blechoberfläche nicht mehr berücksichtigt
werden beziehungsweise Schwankungen dieses Abstandes gehen nicht mehr in die Messung
ein. Damit ist auch der zweite Unsicherheitsfaktor bei der Anwendung des Wirbelstromprinzips
zur Dickenmessung von Blechen
eliminiert, so daß auf äußerst wirtschaftliche,
einfache Art und Weise die Blechdicke derartiger Bleche präzise bestimmt werden
kann.
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Da im allgemeinen dieser Kreuzungsbereich der verlängerten Geraden
etwa in der Nähe der Imaginärachse liegt, empfiehlt es sich, und ist es in der Praxis
durchaus vertretbar, daß die Vergleichsspannung um + 0900 zum Spulenstrom verdreht
ist, wodurch es möglich ist, kommerziell angebotene, sehr preiswerte Phasenschieber
einzusetzen.
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Auf den beigefügten Zeichnungen soll das Verfahren nach der Erfindung
erläutert werden. Hierbei zeigen:-Fig. 1 das Vektorbild bei in der Nähe der Spulenspannung
angeordneter Vergleichsspannung, Fig. 2 das Vektorbild bei in der Imaginärachse
liegender Vergleichsspannung und Fig. 3 ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens.
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In der Abszisse des Diagramms nach Fig. 1 ist die Oszillatorspannung
UO eingezeichnet. Vom Ursprung dieses Vektors UO geht aus die Spulenspannung Usp,
wie auch die Vergleichsspannung U . Die Differenzspannung U dl verbindet v die Endpunkte
der Vektoren Uv und U Der Spannungsvektor Usp endet bei der Blechdickenangabe 1,0
der Ortskurve 1, die sämtliche Blechdicken eines Materials zwischen 0 und 5 mm ...es
verbindet. Infolgedessen zeigt auch der Differenz-Spannungsvektor Udl auf diesen
Wert. Gemessen wird nun lediglich noch entweder die Phasenlage zwischen diesemiDifferenz-Spannungsvektor
Udl und dem Vektor der Vergleichsspannung U und/oder auch die Amplitude dieser v
Differenzspannung Udl. Ein weiterer gestrichelter Vektor Ud3 zeigt auf die Blechdicke
3,0 mm. Es ist deutlich erkennbar, daß die Phasenlage zwischen der Vergleichsspannung
U und dem auf 1,0 mm Blechdicke
weisenden Differenz-Spannungsvektor
Udl sehr unterschiedlich ist von derjenigen des Differenz-Spannungsvektors Ud3,
daß also diese Phasenlage ohne Schwierigkeiten bestimmt und der entsprechenden Blechdicke
zugeordnet werden kann.
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In Fig. 2 zeigt das Diagramm wiederum die Oszillatorspannung UO und,
mit dem Phasenwinkel von 0900 hierzu, die Vergleichsspanung Uv Eingezeichnet ist
wiederum die Spulenspannung Usp, auch'hier wieder weisend auf die Blechdicke 1,0.
Auch hier geht wiederum der Differenz-Spannungsvektor Ud aus vom Endpunkt des Spannungsvektors
Uv der Vergleichsspannung zum Endpunkt des Vektors U der Spulenspannung. Auch hier
bei dieser sp Anordnung ist auf den ersten Blick ersichtlich, daß sich bei Anderungen
der Blechdicke eine relativ zu der-Anderung der Spulenspannung große Anderung der
Differenzspannung ergibt, die unschwer zu erfassen ist.
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Eingezeichnet in dieses Diagramm sind, von den jeweiligen Blechdicken-Punkten
ausqehende Gerade, die sich in einem Kreuzungsbereich 2 schneiden. Die Geraden verbinden
hierbei die vom Spulenspannungsvektor Usp erzeugten Endpunkte beim Abheben der Prüfspule
4 von der Oberfläche des zu messenden Bleches. Einige Meßpunkte bei einem Abstand
von 2 und von 4 mm sind in diese Geraden eingezeichnet. Die Fortsetzung dieser Geraden
führt zu dem oben besprochenen Kreuzungsbereich 2, während tatsächlich die Endteile
dieser Geraden, also bei zu weiter Distanz der Prüfspulen vom Blech gegen den Nullpunkt
der Ortskurve 1 führen.
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Wird der Endpunkt des Spannungsvektors Uv der Vergleichsspannung direkt
in diesen Kreuzungsbereich Z geführt, so wird vollkommen der Einfluß des Abstandes
der Prüfspule 4 von der Blechoberfläche eliminiert. Im gezeigten Beispiel liegt
jedoch der Endpunkt des Vergleichsspannungsvektors
Uv etwas neben
diesem Kreuzungsbereich 2, um damit preiswerte Phasenschieber-Elemente, die eine
Phasenverschiebung um 090° herbeiführen, verwenden zu können; Der hierdurch entstehende
geringfügige Meßfehler ist in der Praxis vernachlässigbar.
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Eingezeichnet in das Diagramm ist auch die Differenzspannung Ud, augehend
vom Ursprung des Diagramms, mit dem Winkel . Selbstverständlich kann neben der Phasenlage
dieses Spannungsvektors U d auch noch dessen Amplitude gemessen werden.
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Fig. 3 schließlich zeigt eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, wobei die Prüfspule 4 von einem Sinusgenerator mit nachgeschalteter
Wechselstrom-Konstanthalteregelung 1 gespeist wird. Weiter gespeist wird von diesem
Generator 1 ein Phasenschieber 2, der über einen Verstärker 3 die so gebildete phasenverschobene
Vergleichsspannung Uv einem Subtrahierer 5 zuleitet, der die Differenz aus der Spulenspannung
U und der Vergleichsspannung Uv bildet. Diese Differenzspannung Ud gelangt nunmehr
über einen Phasen/Spannungswandler 6, dem außerdem die Oszillatorspannung UO zugeleitet
wird, zu einem Komparator 7, der die Auswertung des Endsignales übernimmt.
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