Wirbelstrom-Lexikon

Die Bezeichnung „Absolutsensor“ leitet sich aus der Tatsache ab, dass der Absolutwert, der in der Prüfspule induzierten Spannung gemessen wird. Dem Signal bei fehlerfreiem Prüfgegenstand oder bei leerer Spule überlagert sich das Signal einer Fehlstelle oder einer Eigenschaftsänderung des Prüfkörpers. Das Prüfsignal wird also nicht nur von Fehlstellen, sondern auch von den Materialeigenschaften des Prüfstückes und den Umweltbedingungen beeinflußt. Erwärmt sich z.B. der Sensor im Betrieb, ändert sich dessen elektrischer Widerstand und der Absolutwert der induzierten Spannung beginnt zu „wandern“ (Drift). Dies ist der große Nachteil dieser Sensor-Systeme. Zur Unterdrückung derartiger und ähnlicher Störeinflüsse wird oft eine zusätzliche Kompensationsspule zwischengeschaltet. Diese muss so angeordnet werden, dass keine Wechselwirkung mit dem Prüfkörper entsteht aber Umwelteinflüsse wirkungsvoll unterdrückt werden.

Sollen nur die durch abweichende Probeneigenschaften bedingten Änderungen des Messwertes zur Anzeige gelangen, muss der Absolutwert bis auf diese Änderung kompensiert werden. Am einfachsten wird dies durch das sog. Vergleichsverfahren erreicht. Hierbei werden zwei möglichst gleiche Absolutsensoren verwendet, die (wie zwei gleiche Batterien, die mit ihren Minus-Polen miteinander verbunden sind) gegeneinander geschaltet sind. Die Summe der beiden Teilspannungen ist dann gleich null, wenn sich in beiden Spulen Prüfkörper mit identischen Eigenschaften befinden. In diesem Fall liefern beide Spulen gleiche Messsignale, die sich durch die elektrische Schaltung gegenseitig aufheben.

Ein solches Spulensystem bezeichnet man als Differenzsystem mit Fremdvergleich. In ihm wird das Prüfobjekt mit einem Musterstück von vorgegebener Güte, dem „Prüfnormal“, verglichen. Eine Anzeige erfolgt nur, wenn das Prüfobjekt in seinen Eigenschaften vom Prüfnormal abweicht. Ein Unterschied von 1 % kann nur bei geeigneter Geräteempfindlichkeit die ganze Anzeigenskala ausfüllen. Um bei einer bestimmten Geräteeinstellung immer wieder reproduzierbare Messergebnisse zu bekommen, kennzeichnet man zweckmäßig die Sensoren, so dass immer derselbe Sensor als „Referenzsensor“ benutzt wird.

Absolutsensor ROHMANN  Absolut-Sensor ROHMANN

Die Bandbreite ist eine elementare Kenngröße in der Signalverarbeitung.  Sie beschreibt die Breite des Frequenzspektrums, d.h. die in einem Signal enthaltenen Frequenz-Anteile.

Die Bandbreite ist durch eine untere und eine obere Grenzfrequenz gekennzeichnet. Die obere Grenzfrequenz wird geräteintern durch das Dämpfungsverhalten des Systems begrenzt. Die untere Bandbreite kann durchaus Null sein. In diesem Fall entspricht die Bandbreite der oberen Grenzfrequenz. Üblicherweise verwendet man das 3-dB-Kriterium, welches einem Abfall der Signalamplitude auf ca. 71 % entspricht.

Hinweis: Die maximale Bandbreite ist ein wichtiges Merkmal von Wirbelstromprüfgeräten und nicht zu Verwechseln mit dem zur Verfügung stehenden Bereich der Prüffrequenz. Sie bezieht sich auf das Frequenzspektrum des demodulierten Wirbelstromsignals und kann gezielt über Filtereinstellungen (Hochpassfilter > untere Grenzfrequenz bzw. Tiefpassfilter > obere Grenzfrequenz) auf die anwendungsspezifischen Erfordernisse eingegrenzt werden. Auf diese Weise können Störsignale geschwächt bzw. eliminiert werden, sofern sich deren Frequenzspektrum deutlich von dem der interessierenden Signale (z.B. Rissanzeigen) unterscheidet.

 

Ein Bandpassfilter entsteht aus der Kombination eines Tiefpass– und eines Hochpassfilters. Das bedeutet, dass nur ein mittleres Frequenzsegment, das ausschließlich die interessierenden Signale enthält, unbeeinflusst durchgelassen wird. Lediglich niederfrequente und hochfrequente Störsignale werden unterdrückt.

Für Bandpassfilter sind eine untere und eine obere Grenzfrequenz einzustellen (siehe Bandbreite).

In der Wirbelstromprüfung können mit Bandpassfiltern beispielsweise Leitfähigkeitsvariationen, Geometrievariationen, Abstandssignale (lift-off) sowie hochfrequente elektromagnetische Störungen und elektronisches Geräterauschen geschwächt bzw. eliminiert werden.

Es ist zu beachten, dass das Frequenzspektrum der Störsignale und der interessierenden Signale sowohl von der aktuellen Prüfgeschwindigkeit abhängt, als auch vom Typ und der Geometrie des verwendeten Sensors:

1) Je größer die Prüfgeschwindigkeit und je kleiner die Spulenwirkbreite, desto höher ist die Frequenz der Signale (> „kürzere Impulse“).

2) Für geringe Prüfgeschwindigkeiten und für relativ große Spulenabmessungen werden die Frequenzen der Signale entsprechend kleiner (> „längere Impulse“).

Die Anwendung eines Bandpassfilters wird auch als „dynamische“ Prüfung bezeichnet, da im Frequenzspektrum des demodulierten Signals nur veränderliche (dynamische) Anteile enthalten sind (z.B. bei Rotoranwendungen). Das bedeutet, dass der Signalpunkt stets zum Koordinatenursprung zurückkehrt, auch wenn der Sensor nicht bewegt wird.

 

Bei einem Differenzsensorsystem wird die gleiche Spulenanordnung wie beim Fremdvergleichsverfahren verwendet, nur sind die Spulen so angeordnet, dass eine Stelle des Prüfstücks mit einer in nur geringer Entfernung liegenden anderen Stelle des gleichen Prüfstücks verglichen wird.

Das Prüfstück wird bei dieser Anordnung mit sich selbst verglichen. Da man davon ausgehen kann, dass sich die Legierung und das Gefüge auf den geringen Abstand der beiden Empfangsspulen nicht oder nur ganz unwesentlich ändern, werden auf diese Weise nur noch die plötzlich auftretenden Fehler oder andere Werkstoff Inhomogenitäten zur Anzeige gebracht werden.

Mit diesem Verfahren werden somit vorwiegend örtlich begrenzte Materialfehler aufgefunden (z.B. Risse), während Änderungen der Werkstückeigenschaften, die kontinuierlich über die gesamte Länge erfolgen, weitgehend kompensiert werden.

Der Nachteil dieser Anordnung besteht aus einer Richtungsabhängigkeit des Sensors. Während längliche Fehlstellen, (Risse) die quer zu den beiden Empfangsspulen verlaufen gut gefunden werden (da immer nur eine der beiden Empfangsspulen beeinflußt wird), werden diese Fehlstellen sobald sie längs verlaufen nicht mehr oder nur noch sehr eingeschränkt erkannt (die länglichen Fehlstellen deckt jetzt beide Empfangsspulen gleichzeitig ab). Abhilfe kann hier eine Mehrfachanordnung von Empfangsspulen schaffen (sogenannte Multi-Differenz Anordnungen). Diese besitzt aber trotzdem noch Vorzugsrichtungen, d.h. Fehlstellen in bestimmten Orientierungen werden trotzdem nur eingeschränkt erkannt.

 

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Hauptgruppen von Sensoren: Durchlaufsensoren und Tastsensoren. Bei Durchlaufsensoren wird unterschieden in: Außendurchlauf-Sensor, der den Prüfgegenstand umschließt und durch diesen hindurch geführt (z.B. Stabprüfung mit umfassenden Prüfspulen) wird und Innendurchlauf-Sensor, der von dem Prüfgegenstand umschlossen wird, d.h. der Sensor wird durch den Prüfgegenstand hindurchgeführt (z.B. bei der Innenrohrprüfung). Durchlaufsensoren erfassen immer einen vollständigen Umfangsabschnitt des Prüfgegenstandes, außen oder innen.

Die Wirbelstromprüfung ist prinzipiell als Oberflächenprüfverfahren einzustufen. Verfahrensbedingt konzentrieren sich die induzierten Wirbelströme auf eine mehr oder weniger dünne oberflächennahe Schicht. Die stärksten Wirbelströme fließen unmittelbar an der Oberfläche. Deshalb kann dort die maximale Prüfempfindlichkeit erzielt werden.

Die Abnahme der Wirbelstromstärke mit wachsender Tiefenlage (Abstand von der Oberfläche) wird durch den Abschirmeffekt fließender Wirbelströme („Skin-Effekt“) verursacht. Als Maß für die tiefenabhängige Abnahme der Wirbelstromstärke verwendet man in der Wirbelstromprüfung üblicherweise die sogenannte Standardeindringtiefe.

Die Standardeindringtiefe δ entspricht dem Abstand, bei dem die Wirbelstromstärke auf ca. 37 % des Wertes an der Prüflingoberfläche abgefallen ist (dies entspricht einer Abnahme um den Faktor 1 / e ~ 1 / 2,7). Sie ist keine fixe Größe, sondern sie hängt ab von den jeweiligen Prüfbedingungen: der Prüffrequenz (f), der elektrischen Leitfähigkeit (σ) und der relativen Permeabilität des Prüfgegenstandes (µr) und kann näherungsweise mit folgender Formel berechnet werden:

δ   – Standardeindringtiefe in mm

σ   – elektrische Leitfähigkeit in MS / m

µr    – relative Permeabilität (einheitslos)

f     – Prüffrequenz in Hz

Damit gilt:

Je größer die elektrische Leitfähigkeit oder die relative Permeabilität bzw. je höher die Prüffrequenz ist, desto stärker konzentrieren sich die Wirbelströme an der Oberfläche des Prüfgegenstandes und umso kleiner wird die Standardeindringtiefe.

Die relativen Wirbelstromstärken für ausgewählte ganzzahlige Vielfache der Standardeindringtiefe δ betragen:

1δ: -> 36,8 %

2δ: -> 13,5 %

3δ: -> 5,1 %

5δ: -> 0,7 %.

Die Tiefe 3δ wird auch als „effektive Eindringtiefe“ bezeichnet. In größeren Tiefen liegende Materialänderungen bzw. Defekte können im Allgemeinen nicht mehr verlässlich mit ausreichender Empfindlichkeit nachgewiesen werden, da die Wirbelstromstärke bereits zu stark abgefallen ist.

Prüfgegenstände mit einer Wanddicke größer 5δ gelten als „dickwandig“; eine weiter zunehmende Wanddicke würde keine weitere Messwertänderung an der Wirbelstromspule hervorrufen.

Auf Basis der Standardeindringtiefe kann damit – unter Berücksichtigung der vorliegenden Prüfbedingungen (Materialeigenschaften und Prüffrequenz) – das Tiefennachweisvermögen grob abgeschätzt werden.

Eindringtiefe ROHMANN

Bei der Durchführung von Wirbelstromprüfungen können in der Praxis eine Reihe von störenden bzw. unerwünschten Signalen in Erscheinung treten. Zu diesen unerwünschten Signalen gehören zum Beispiel:

1) Leitfähigkeits-Variationen, thermische Drift, mechanische Vibrationen, Geometrieänderungen oder das sogenannte Abhebe-Signal, die in der Regel über eine längere Zeitdauer als ein definierter Referenzfehler auftauchen (niederfrequente Signale).

2) elektromagnetische Störungen oder das elektronische Rauschen des Prüfgerätes, die in der Regel über eine kürzere Zeitdauer als ein definierter Referenzfehler anstehen (hochfrequente Signale).

Im ungünstigsten Fall treten alle genannten Störungen gleichzeitig auf, d.h. sie überlagern sich derart, dass man die interessierenden Signale (z.B. Rissanzeigen) nicht mehr sicher erkennen und somit auch nicht bewerten kann.

Mittels Filterung können allerdings bestimmte Frequenzanteile im demodulierten Signal geschwächt bzw. eliminiert werden.

Um die Störsignale gezielt unterdrücken zu können, müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

* Zum einen muss das Frequenzspektrum der interessierenden Signale und das der zu unterdrückenden Störsignale bekannt sein.

* Zum anderen müssen sich die Frequenzspektren der interessierenden und der zu unterdrückenden Signale deutlich voneinander unterscheiden.

* Darüber hinaus muss (bei Anwendung eines zeitbasierten Filters) auf eine konstante Prüfgeschwindigkeit geachtet werden.

So gelingt es, neben Pseudoanzeigen auch Fehlinterpretationen zu vermeiden und folglich die Zuverlässigkeit von Prüfaussagen deutlich zu erhöhen.

Für die Filterung stehen die Filtertypen Hochpassfilter, Tiefpassfilter und Bandpassfilter zur Verfügung.

 

Hochpassfilter werden genutzt, um störende niederfrequente Signalanteile des Frequenzspektrums zu unterdrücken, während die Frequenzen oberhalb einer oberen Grenzfrequenz (d.h. die interessierenden Signale) unbeeinflusst bleiben (siehe auch Bandbreite).

In der Wirbelstromprüfung können mit Hochpassfiltern beispielsweise Leitfähigkeits- oder Permeabilitätsvariationen, Geometrievariationen, aber insbesondere auch Abstandssignale (lift-off) unterdrückt werden.

Es ist zu beachten, dass das Frequenzspektrum der Störsignale und der interessierenden Signale sowohl von der aktuellen Prüfgeschwindigkeit abhängt, als auch vom Typ und der Geometrie des verwendeten Sensors:

1) Je größer die Prüfgeschwindigkeit und je kleiner die Spulenwirkbreite, desto höher ist die Frequenz der Signale (-> „kürzere Impulse“).

2) Für geringe Prüfgeschwindigkeiten und für relativ große Spulenabmessungen werden die Frequenzen der Signale entsprechend kleiner (-> „längere Impulse“).

 

 

 

 

Eine besonders in den USA gebräuchliche Einheit der elektrischen Leitfähigkeit ist IACS (für International Annealed Copper Standard).

Hier wird die elektrische Leitfähigkeit σ als Prozentwert der Leitfähigkeit von elektrolytisch reinem geglühtem Kupfer (mit 58 MS/m) ausgedrückt.

Für die Umrechnung von SI-Einheiten zum IACS System gilt:

σ – elektrische Leitfähigkeit

In der Wirbelstromprüfung nutzt man eine Spule, um:

1) Wirbelströme im Prüfgegenstand zu erzeugen (induzieren) und

2) die Rückwirkungen aus dem Prüfgegenstand, die dessen Eigenschaften widerspiegeln, aufzunehmen.

Im einfachsten Fall besteht ein Wirbelstromsensor nur aus einer Spule, die dann sowohl als Sender, als auch als Empfänger fungiert (parametrischer Sensor). Das Funktionsprinzip besteht dabei darin, dass der Prüfgegenstand seine Eigenschaften auf die Spule – genauer gesagt auf die Spulenimpedanz – aufprägt.

Unter Impedanz versteht man den Wechselstromwiderstand. Für eine Spule setzt sich dieser aus zwei Bestandteilen zusammen:

1) dem Ohm‘schen Widerstand R (Dieser entspricht dem Gleichstromwiderstand des Spulendrahtes.) und

2) dem induktiven Blindwiderstand XL (Dieser kommt zustande, weil der Spulendraht zu Windungen gewickelt ist. Sofern die Spule von einem Wechselstrom durchflossen wird, befinden sich die Spulenwindungen im Einflussbereich ihres eigenen magnetischen Wechselfeldes. Folglich werden in ihnen Ströme induziert, die entgegengesetzt zum sie verursachenden Spulenstrom fließen und diesen überlagern. Der resultierende Gesamtstrom ist daher phasenverschoben, d.h. zeitverzögert.).

 

Der Ohm‘sche Widerstand R ist unabhängig von der Prüffrequenz, hängt aber ab von der Geometrie und dem Werkstoff des Leiterdrahtes:

R  – Ohm‘scher Widerstand in Ω

l   – Länge des Leiters in m

A  – Querschnittsfläche des Leiters in mm2

ρ  – spezifischer elektrischer Widerstand in Ω mm2 / m

 

Der induktive Widerstand XL wird umso größer:

* je höher die Frequenz f und

* je größer die Induktivität L der Spule ist

und kann mit folgender Formel berechnet werden:

XL – induktiver Blindwiderstand in Ω

f   – Frequenz in Hertz (Hz = 1 / s)

L  – Induktivität in Henry (H)

Die Spuleninduktivität ist abhängig von der Windungszahl, den Spulenabmessungen und dem Werkstoff, der das Innere der Spule ausfüllt:

L  – Induktivität in H (Henry, 1 H = V s / A)

μ  – magnetische Permeabilität im Spuleninneren in V s / A m (mit μ = μ0 * μrel)

n  – Windungszahl

   A  – Querschnittsfläche in mm2

   l   – Spulenlänge in mm

Der Gesamtwiderstand der Spule (Impedanz oder Scheinwiderstand) ergibt sich aus der vektoriellen Addition von Ohm‘schem und induktivem Blindwiderstand. Den Betrag der Impedanz ermittelt man über:

Z   –  Impedanz in Ω (Ohm)

R   –  Ohm‘scher Widerstand in Ω

XL  –  induktiver Blindwiderstand in Ω

Die Gesamtspannung der Spule US setzt sich zusammen aus der Wirkspannung UR, die am Spulendraht abfällt (reale Komponente) und der induktiven Blindspannung UL (imaginäre Komponente infolge Induktion). Den Betrag der Spulenspannung errechnet man aus der vektoriellen Addition beider Komponenten:

US  – Gesamtspannung in V (Volt)

UR  – Wirkspannung in V

UL  – induktive Blindspannung in V

Sie ist um den Wert ϕ gegenüber dem Spulenstrom I phasenverschoben.

 

Die Phasenverschiebung ϕ einer Spule nimmt Werte zwischen 0° und 90° an und errechnet sich gemäß folgender Formel:

ϕ  – Phasenverschiebung in Grad (°)

R   – Ohm‘scher Widerstand in Ω

XL  – induktiver Blindwiderstand in Ω

 

Alle genannten Größen stellt man in der Komplexen Ebene folgendermaßen dar:

* reale Größen (R, UR und I) in der Waagerechten und

* imaginäre Größen (XL und UL) in der Vertikalen.

Die Phasenverschiebung ϕ wird in der Komplexen Ebene dargestellt als Winkel (im Uhrzeigersinn) zwischen der Spulenimpedanz Z und dem Ohm’schen Widerstand (Wirkwiderstand) R bzw. als Winkel zwischen der Gesamtspannung US und der Stromstärke I.

 

 

 

 

 

 

 

Um das Angebot und die Einsatzmöglichkeiten unserer Sensoren auf den ersten Blick für unsere Kunden anschaulich zu gestalten, kennzeichnen wir unsere Sensoren bei allen Darstellungen in folgender Weise:

 

Kennzeichnung Sensoren nach ROHMANN

 

Als elektrische Leiter bezeichnet man alle Materialien, die über bewegliche Ladungsträger (z.B. Valenzelektronen in Metallen) verfügen, welche den elektrischen Strom leiten können.

Die elektrische Leitfähigkeit σ (Sigma) ist eine materialspezifische Kenngröße. Sie beschreibt, wie gut ein Material den elektrischen Strom leitet.

Der Kehrwert der spezifischen Leitfähigkeit ist der spezifische Widerstand ρ (rho). Er bringt zum Ausdruck, welchen Widerstand ein Material dem Fließen von Ladungsträgern entgegensetzt.

Zur Ermittlung dieser Materialkennwerte werden die Probengeometrie (Länge und Querschnittsfläche) und elektrische Größen (Spannungsabfall und Stromstärke bzw. Ohm’scher Widerstand) miteinander verknüpft:

σ  – spezifische Leitfähigkeit in S / m (Siemens / m, 1 m / Ω mm2 = 1 MS / m)

ρ   – spezifischer Widerstand in Ω mm2 / m

U  – Spannungsabfall in V (Volt)

I    – Stromstärke in A (Ampere)

R   – Ohm‘scher Widerstand in Ω (Ohm)

l    – Länge des Leiters in m

A   – Querschnittsfläche des Leiters in mm2

Im angloamerikanischen Raum wird die elektrische Leitfähigkeit im sogenannten IACS-System angegeben.

Die spezifische Leitfähigkeit, und damit auch der spezifische Widerstand, sind temperaturabhängig. Bei Metallen nimmt die spezifische Leitfähigkeit im Allgemeinen mit steigender Temperatur ab, da durch die zunehmende thermische Bewegung der Atome dem Fließen der Ladungsträger ein erhöhter Widerstand entgegengesetzt wird.

 

Multiplexing (auch MUX oder multiplex genannt) ist ein Verfahren zur seriellen Übertragung mehrerer Signale über lediglich eine Signalleitung. Dabei werden alle Signale scheinbar simultan (d.h. gleichzeitig) übertragen; genau genommen werden sie jedoch gewissermaßen „häppchenweise“ zeitlich ineinander verschachtelt. Der gemeinsam genutzte Übertragungskanal ist in Zeitscheiben eingeteilt. Jedem Signal wird eine solche Zeitscheibe zugeordnet. Zur Übertragung schaltet ein Multiplexer (MUX) ein Signal nach dem anderen auf die Übertragungsstrecke, jeweils für die Dauer einer Zeitscheibe. Am anderen Ende der Strecke schaltet ein Demultiplexer (DEMUX) synchron die übertragenen Signale auf die zugehörigen Empfänger. Ein kompletter Multiplex-Zyklus besteht aus der Summe aller Zeitscheiben.

Eine charakteristische Größe beim Multiplexing ist die Multiplexrate. Sie entspricht dem Kehrwert der Zykluszeit und bringt zum Ausdruck, wieviel Signalkanäle pro Zeiteinheit (i.d.R. pro Sekunde) übertragen werden können.

Die Vorteile des Multiplexverfahrens liegen insbesondere:

1) in der Reduzierung der Hardwarekosten (weniger Prüfkanäle und weniger Kabel),

2) in der Verminderung des Platzbedarfs (mehrere Sensoren können mit einem Gerät betrieben werden, dünnere Kabel),

3) in deutlichen Zeitersparnissen (bei Mehrfrequenzprüfung bzw. bei Nutzung von Array-Sensoren) und

4) der Vermeidung von Interferenzen bzw. des Übersprechens der Kanäle untereinander.

Dem stehen als Nachteile gegenüber:

1) bei hohen Prüfgeschwindigkeiten kann eine lückenlose Abtastung unter Umständen (bei zu geringer Multiplexrate) nicht mehr gewährleistet werden,

2) ggf. eine verminderte Signalqualität (Signal-Rausch-Abstand), da mit zunehmender Multiplexrate immer weniger Datenpunkte pro Zeitscheibe zur Verfügung stehen.

In der Wirbelstromprüfung unterscheidet man folgende Multiplexarten: Parameter-Multiplexing (z.B. als sequentielle Mehrfrequenz-Prüfung) und Sensor-Multiplexing (sequentielles Umschalten auf mehrere Sensoren bzw. zum Betreiben von Sensorarrays).

 

 

Parameter-Multiplexing in der Wirbelstromprüfung bedeutet, dass ein Sensor sequentiell mit mehreren Prüfparametern betrieben wird. Zu diesem Zweck wird in schneller Folge zwischen den einzelnen Parametern umgeschaltet, die damit jeweils nur für eine sehr kurze Dauer wirksam sind. Auf diese Weise kann z.B. eine Mehrfrequenzprüfung realisiert werden. Selbstverständlich können auch andere Prüfparameter nach einem definierten Zeitraster umgeschaltet werden, wie z.B. Filter, Schwellen oder auch diverse Kombinationen aus diesen.

Die wesentlichen Vorteile des Parameter-Multiplexing in der Wirbelstromprüfung liegen in einer erheblichen Zeitersparnis bzw. der Reduzierung des Hardwareaufwandes gegenüber konventionellen Verfahren. Auch vermindert sich der gegenseitige Störeinfluss (Übersprechen) der Prüfkanäle untereinander im Vergleich zur simultanen Prüfung.

Die Realisierung einer Mehrfrequenzprüfung bietet im Vergleich zur Einfrequenzprüfung weitere Möglichkeiten zur Signalbewertung. Sie liefert damit ein deutliches „Mehr“ an Informationen und führt damit auch zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Prüfaussagen.

 

 

 

 

 

Das von der Wirbelstromspule erzeugte magnetische Wechselfeld breitet sich im Außenraum der Spule aus und durchdringt das Volumen des elektrisch leitfähigen Prüfgegenstandes. Die maximale Feldstärke und das Maximum der Wirbelstromstärke stellt sich direkt an der Oberfläche des Prüfgegenstands ein.

Die unmittelbar an der Oberfläche fließenden Wirbelströme sind entgegengesetzt zum Spulenstrom gerichtet, d.h. um 180° phasenverschoben.

Bedingt durch den Skin-Effekt reduziert sich einerseits die Wirbelstromstärke in Tiefenrichtung. Mit wachsender Tiefenlage ist andererseits auch eine zunehmende Phasenverschiebung der Wirbelströme zu verzeichnen, d.h. eine größer werdende zeitliche Verzögerung im Vergleich zur Oberfläche des Prüfgegenstands.

Diese Phasenverschiebung der Wirbelströme nimmt in etwa linear mit der Tiefenlage zu. Sie kann gemäß folgender Formel berechnet werden:

x –  Tiefenlage (in mm)

δ –  Standardeindringtiefe (in mm)

β –  Phasenverschiebung der Wirbelströme (in °)

Bei der Standardeindringtiefe δ stellt sich eine Phasenverschiebung von βδ = 57° gegenüber dem Wirbelstromverlauf an der Oberfläche ein. Für die zweifache Standardeindringtiefe beträgt sie 114° usw.

Die Phasenverschiebung der fließenden Wirbelströme liefert wichtige Informationen über den Prüfgegenstand, insbesondere hinsichtlich der Art von Eigenschaftsänderungen und der Tiefenlage bestimmter Merkmale.

Sie wird bei einem speziellen Analyseverfahren – der Phasenauswertung – gezielt ausgenutzt und findet beispielsweise Anwendung bei der Fehlertiefenbestimmung (vorzugsweise kombiniert mit einer Mehrfrequenzprüfung).

Bei der Auswahl der Prüffrequenz für die Wirbelstromprüfung sind die spezifischen Anforderungen der Anwendung und des zu verwendenden Sensors zu berücksichtigen. Der für den Sensor empfohlene Frequenzbereich sollte dem Sensordatenblatt des Herstellers entnommen werden.

Die Prüffrequenz bestimmt in entscheidendem Maße das sogenannte Eindringvermögenvermögen, d.h. die Verteilung der Wirbelstromstärke in Tiefenrichtung:

Mit wachsendem Abstand von der Oberfläche nimmt die Wirbelstromstärke deutlich ab. Die Wirbelströme konzentrieren sich weitgehend an der Oberfläche, sie werden in Tiefenrichtung gewissermaßen abgeschirmt. Dies bezeichnet man auch als Skin-Effekt. Ein Maß für den tiefenabhängigen Abfall der Wirbelstromstärke ist die Standardeindringtiefe.

Je höher die Prüffrequenz, desto größer ist die Stärke der an der Prüflingoberfläche erzeugten Wirbelströme (gemäß Induktionsgesetz). Andererseits nimmt mit zunehmender Prüffrequenz die Wirbelstromstärke in Tiefenrichtung noch schneller ab (stärker ausgeprägter Skin- bzw. Abschirmeffekt). Zu erwähnen ist in diesem Zusammenhang, dass die elektrische Leitfähigkeit und die relative Permeabilität des Prüfgegenstandes den gleichen Einfluss auf die Verteilung der Wirbelstromstärke haben wie die Prüffrequenz.

Daher kann mit der Frequenzwahl sowohl die Prüfempfindlichkeit, als auch das Wechselwirkungsvolumen, also das von Wirbelströmen durchdrungene Volumen des Prüfgegenstandes gezielt kontrolliert werden:

Dabei erzeugen hohe Prüffrequenzen starke Wirbelströme an der Prüflingoberfläche und liefern eine ausgezeichnete Empfindlichkeit für Oberflächendefekte.

Niedrige Prüffrequenzen hingegen liefern auf Grund des besseren Eindringvermögens eine gute Empfindlichkeit (Nachweisvermögen) für unter der Oberfläche liegende Defekte (verdeckte Defekte).

Die Wahl der Prüffrequenz beeinflusst auch den Phasentrennwinkel von unterschiedlich tiefen Defekten. Dies nutzt man beispielsweise bei der Prüfung von Rohren mit einem Innendurchlaufsensor (auch als „Bobbin“-Sonde bezeichnet) mittels Phasenauswertung:

Bei niedrigen Prüffrequenzen unterscheiden sich die Signalauswanderungsrichtungen (oder auch Signalphasen) verschieden tiefer Innenfehler bzw. unterschiedlich tiefer Außenfehler kaum voneinander.

Mit zunehmender Prüffrequenz wächst der Trennwinkel der verschieden tiefen Fehler. Dies entspricht einem verbesserten Auflösungsvermögen in Tiefenrichtung. Die elektrische Leitfähigkeit und die relative Permeabilität des Prüfgegenstandes haben in diesem Zusammenhang den gleichen Einfluss auf den Phasentrennwinkel wie die Prüffrequenz.

 

 

 

 

 

 

 

 

Segmentsensoren stellen eine Zwischenstufe der beiden Grundtypen Durchlaufsensoren und Tastsensoren dar. Sie umschließen den Prüfgegenstand nicht vollständig, decken jedoch in der Regel einen breiten Umfangsbereich zwischen 90° und 180° ab. Ihr Auflösungsvermögen liegt dabei in etwa zwischen einem Durchlaufsensor und einem Tastsensor.

Sensor-Multiplexing in der Wirbelstromprüfung bedeutet, dass mehrere Sensoren (bzw. mehrere Prüfspulen) mit dem gleichen Satz von Prüfparametern (Prüffrequenz, Verstärkungs-, Phasen- und Filtereinstellungen, Schwellen etc.) quasi-simultan betrieben werden. Genaugenommen wird per Multiplexer (MUX) zwischen den einzelnen Sensoren in schneller Folge umgeschaltet. Damit wird jeder einzelne Sensor nur für eine kurze Dauer betrieben.

Auf diese Weise können Mehrfach-Sensoren bzw. Sensor-Arrays sehr effizient betrieben werden. Um beispielsweise eine Prüffläche zweidimensional abzutasten, muss lediglich in eine Richtung mechanisch gescannt werden. Die zweite Dimension wird durch ein „virtuelles Scanning“ per Multiplexer (elektronisches Verschieben im festen Zeitraster) abgedeckt.

Das Sensor-Multiplexing bewirkt eine erhebliche Zeiteinsparung im Vergleich zur Einfach-Sensor-Methode bzw. eine deutliche Reduzierung des Hardwareaufwandes im Vergleich zur herkömmlichen Prüftechnik (geringere Anzahl von erforderlichen Prüfmodulen bzw. Prüfgeräten).

Gegenüber der simultanen Multi-Sensor-Prüfung ergibt sich eine Verminderung des gegenseitigen Störeinflusses (Übersprechen). Die Verwendung von Sensor-Arrays erlaubt also das Prüfen auch von relativ großen Flächen mit hoher Prüfempfindlichkeit und Ortsauflösung in kürzester Zeit.

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Kunst der Sensorentwicklung besteht in der Realisierung eines Sensoraufbaus, der mit der benötigten Prüffrequenz, das erforderliche Magnetfeld (und damit das Wirbelstromfeld) in der optimalen Ausrichtung und erforderlich Stärke an den ‚Prüfort‘ im Werkstück bringt und dabei stets unerwünschte Effekte möglichst minimiert. Grundlegend ist, dass das beste Prüfgerät nur die Informationen gewinnen kann, die die Sensorik auch erfasst hat. Ein ‚blinder‘ Sensor erlaubt keine empfindliche Prüfung. Neben dieser Grundempfindlichkeit ist die exakte Reproduzierbarkeit der Sensoren ein entscheidender Faktor.

 

Zur Veranschaulichung des Verlaufs der Wirbelstromstärke in Tiefenrichtung kann ein Schichtenmodell herangezogen werden.

Unmittelbar an der Oberfläche des Prüfgegenstandes werden Wirbelströme erzeugt, die spiegelbildlich zum Spulenstrom verlaufen und ein dem Spulenfeld entgegengesetztes Magnetfeld aufbauen. Entsprechend dem Ohm‘schen Gesetz treten im Prüfgegenstand Wirkverluste auf, sodass das magnetische Gegenfeld schwächer ist als das Erregerfeld der Spule. Aus der Überlagerung beider entsteht ein geschwächtes magnetisches Gesamtfeld; das Magnetfeld der Spule wird praktisch in Tiefenrichtung stark abgeschirmt.

Dieses abgeschwächte Magnetfeld erzeugt in der gedachten, darunterliegenden Schicht nun geringere Wirbelströme, deren Richtung sich erneut umkehrt. Diese Wirbelströme wirken ihrerseits wie eine Spule und induzieren in der nächsttieferen Schicht wiederum Wirbelströme.

Dieser Vorgang setzt sich in Tiefenrichtung fort. Auf diese Weise wird mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche das in den Prüfgegenstand eindringende Erregerfeld durch das Fließen der Wirbelströme mehr und mehr geschwächt und phasenverschoben. Die Phasenverschiebung entspricht der Zeitverzögerung, die sich aus der begrenzten Geschwindigkeit der fließenden Wirbelströme ergibt.

Die Verdrängung des magnetischen Feldes und die Konzentration der Wirbelströme an der Außenoberfläche des Prüflings bezeichnet man daher als Skin-Effekt (Haut-Effekt).

Ein Maß für die Abnahme der Wirbelstromdichte mit zunehmender Tiefenlage ist die Standardeindringtiefe. Die mit dem Abstand von der Oberfläche zunehmende Zeitverzögerung der fließenden Wirbelströme führt zur tiefenabhängigen Phasenverschiebung der Wirbelströme.

 

Tiefpassfilter werden genutzt, um störende hochfrequente Signalanteile des Frequenzspektrums zu unterdrücken, während die Frequenzen unterhalb einer unteren Grenzfrequenz (d.h. die interessierenden Signale) unbeeinflusst bleiben (siehe auch Bandbreite). Dieser Filtertyp wird auch als statischer Filter bezeichnet, weil im Frequenzspektrum des demodulierten Signals auch eine konstante (statische) Komponente enthalten ist.

In der Wirbelstromprüfung werden mit Tiefpassfiltern beispielsweise hochfrequente elektromagnetische Störungen, aber auch das elektronische Geräterauschen unterdrückt.

Es ist zu beachten, dass das Frequenzspektrum der Störsignale und der interessierenden Signale sowohl von der aktuellen Prüfgeschwindigkeit abhängt, als auch vom Typ und der Geometrie des verwendeten Sensors:

1) Je größer die Prüfgeschwindigkeit und je kleiner die Spulenwirkbreite, desto höher ist die Frequenz der Signale (-> „kürzere Impulse“).

2) Für geringe Prüfgeschwindigkeiten und für relativ große Spulenabmessungen werden die Frequenzen der Signale entsprechend kleiner (-> „längere Impulse“).

Die untere Grenzfrequenz des Tiefpassfilters ist korrekt, d.h. hoch genug eingestellt, wenn die höherfrequenten Störsignale effektiv unterdrückt werden, die interessierenden Signale aber noch mit maximaler Signalhöhe angezeigt werden.

Die minimale untere Grenzfrequenz fTPmin für den Tiefpassfilter kann mit folgender Formel näherungsweise ermittelt werden:

fTPmin > vtest / Bw     (mit: vtest = Prüfgeschwindigkeit und BW = Spulenwirkbreite).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mit der Wirbelstromprüfung lassen sich Gegenstände aus elektrisch leitfähigen Werkstoffen auf Unversehrtheit, Zusammensetzung und Vergütungszustand oder auch auf geometrische Abmessungen hin überprüfen. Dabei stützt sich die Wirbelstromprüfung auf die Physik der elektromagnetischen Felder.

Eine von Wechselstrom durchflossene Spule bildet in seiner Umgebung ein (primäres) magnetisches Wechselfeld aus. Hierdurch werden an der Oberfläche eines elektrisch leitenden Prüfgegenstandes Ströme erzeugt. Diese sogenannten „Wirbelströme“ fließen parallel zu den Spulenwindungen, jedoch in entgegengesetzter Richtung zum Spulenstrom. Deshalb generieren sie ein (sekundäres) magnetisches Wechselfeld, das entgegengesetzt dem Magnetfeld der Spule gerichtet ist. Daraus resultiert schließlich eine Schwächung des Magnetfeldes der Spule. Dies kann als Änderung des Wechselstromwiderstandes der Spule (Impedanz) gemessen werden.

Befinden sich lokale Defekte im Prüfgegenstand (z.B. Risse, nichtmetallische Einschlüsse, Poren, Korrosionsnarben), so können die Wirbelströme nicht mehr ungehindert fließen. Damit ändert sich der an der Spule gemessene Wert im Vergleich zu einem fehlerfreien Prüfgegenstand. Während der Sensor entlang des Prüfgegenstandes gleitet, wird das hochfrequente Trägersignal der Wirbelstromspule (HF, Prüffrequenz) moduliert, d.h. die Signalhöhe variiert. Für das gezeigte Beispiel eines Risses nimmt die Signalhöhe zu. Mittels Demodulation wird ein niederfrequentes Signal (NF) gewonnen, welches die Information über den Prüfgegenstand inkl. eventueller Defekte enthält.

Auf Basis der Variationen der Spulenimpedanz können also die Eigenschaften des Prüfgegenstandes (sofern sie die Ausprägung von Wirbelströmen beeinflussen) inkl. mögliche Defekte erfasst und charakterisiert werden. Dazu benötigt man bestimmte Analyseverfahren, z.B. die Betrags- oder Phasenauswertung, Signalformauswertung oder Oberwellenanalyse.

Unter Anwendung von Referenzteilen, die bestimmte Eigenschaften hinsichtlich Geometrie (Abmessungen, Form), Materialkennwerten (elektrische Leitfähigkeit, Permeabilität, Härte) und Materialfehler (Defekte) aufweisen sollten, muss das Wirbelstromprüfgerät vor Beginn der Prüfung eingestellt werden (Prüffrequenz, Verstärkung, Phaseneinstellung, Filtereinstellungen etc.).

Um verlässliche Prüfergebnisse zu gewährleisten, ist während der Prüfdurchführung auf die Einhaltung der Prüfbedingungen zu achten (z.B. konstanter Sensor-Abstand und gleichbleibende Prüfgeschwindigkeit). Auch sollten jegliche Störeinflüsse (z.B. mechanische Vibrationen, Temperaturschwankungen oder elektromagnetische Störfelder) ausgeschlossen bzw. soweit praktikabel minimiert werden. 

Eine weitere wichtige Voraussetzung zur erfolgreichen Wirbelstromprüfung ist die Auswahl bzw. die Entwicklung eines geeigneten Sensors, d.h. die Anzahl und die Anordnung der verwendeten Spulen, die Art ihrer elektrischen Verschaltung, ihre Abmessungen, Windungszahlen, ggf. ein magnetischer Kern oder eine Abschirmung.

Bedingt durch den „Skin-Effekt“ bilden sich die stärksten Wirbelströme an der Oberfläche des Prüfgegenstandes aus; mit wachsendem Abstand von der Oberfläche nimmt deren Stärke rasch ab. Daher ist die Wirbelstromprüfung als Oberflächenverfahren einzustufen, welches prinzipiell für alle elektrisch leitfähigen Materialien eingesetzt werden kann.

Da die Ausprägung der Wirbelströme von zahlreichen Eigenschaften des Prüfgegenstandes beeinflusst wird, ergeben sich vielfältige Anwendungsfelder für die Wirbelstromprüfung (z.B. Prüfung auf Materialfehler, Wanddickenbestimmung, Messung von Materialkennwerten zwecks Sortierung, Messung von Schichtdicken u.v.a.).

Im Vergleich zu anderen zerstörungsfreien Prüfverfahren ist das Wirbelstromverfahren durch folgende Vorteile charakterisiert:

– berührungslos,

– keine Oberflächenvor- und Nachbereitung notwendig,

– kein Koppelmittel erforderlich,

– hohe Prüfgeschwindigkeiten möglich (bis zu mehreren m/s).

Damit ist es für den Einsatz in automatischen Prüfanlagen bestens geeignet.

 

 

Entstehung von Wirbelstrom

 

Ein stromdurchflossener elektrischer Leiter ist von einem kreisförmig verlaufenden Magnetfeld (Wirbelfeld) umgeben. Wird nun der gerade Leiterdraht zu einer kreisförmigen Leiterschleife gewunden, so überlagern sich die wirbelartig verlaufenden Feldlinien derart, dass sie einen magnetischen Dipol (mit Nord-/Südpol-Struktur) ausbilden. Die Stärke des erzeugten magnetischen Feldes kann man erhöhen, indem man Spulen, wie sie auch als Sensorelement in der Wirbelstromprüfung eingesetzt werden, mit einer größeren Windungszahl wickelt. Mit zunehmender Spulenlänge ähnelt deren magnetisches Feld mehr und mehr dem eines stabförmigen Permanentmagneten.

 

 

 

Das magnetische Feld außerhalb der Spule durchdringt den elektrisch leitfähigen Prüfgegenstand. Da die Spule von einem Wechselstrom durchflossen wird, werden im oberflächennahen Bereich des Prüflings kreisförmige Ströme induziert, die man auch als Wirbelströme bezeichnet. Diese Wirbelströme verlaufen in entgegengesetzter Richtung zum Spulenstrom, sie können gewissermaßen als Spiegelbild des Spulenstromes aufgefasst werden. Die fließenden Wirbelströme sind wiederum von einem magnetischen Wirbelfeld umgeben.

 

Auswirkung von Wirbelstrom

 

 

 

In einem fehlerfreien Prüfling (homogenes Material) können sich die Wirbelströme ungehindert ausbreiten.

Auch das vom Wirbelstrom erzeugte Magnetfeld ist durch eine Dipolstruktur gekennzeichnet. Dieses sogenannte sekundäre Magnetfeld ist entgegengesetzt dem primären Magnetfeld der Spule gerichtet. Die Überlagerung beider Magnetfelder führt zu einem resultierenden Magnetfeld, welches im Vergleich zum primären Magnetfeld der Spule eine geringere Feldstärke aufweist.

 

Wirbelstrom im Prüfmaterial mit Riß

 

Sofern im Prüfgegenstand lokale Defekte (z.B. Risse, Korrosionsnarben, Poren, nichtmetallische Einschlüsse o.ä.) auftreten, können die Wirbelströme nicht mehr ungehindert fließen. Derartige Inhomogenitäten stellen gewissermaßen ein unüberwindliches Hindernis dar. Die Wirbelströme müssen seitlich und/oder in Tiefenrichtung ausweichen und erfahren deshalb eine Schwächung. Folglich ist auch das sie umgebende magnetische Wirbelfeld geschwächt. Die reduzierten magnetischen Gegenwirkungen auf das primäre Magnetfeld der Spule führen zu einer Veränderung des resultierenden Magnetfelds im Vergleich zum fehlerfreien Prüfling.

 

 

 

 

Die Stärke des magnetischen Feldes unter dem Einfluss eines elektrisch leitenden Prüfgegenstandes kann durch geeignete Sensoren (Empfangsspulen) erfasst werden, im Anschluss daran bewertet und in geeigneter Weise zur Anzeige gebracht werden. Damit können Rückschlüsse auf die Prüflingeigenschaften gezogen werden, z.B. hinsichtlich Geometrie, Abmessungen, Werkstoffkenngrößen und dem Vorhandensein lokaler Defekte.

 

 

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Jürgen Lauer Vertrieb Standardprodukte bei ROHMANN