Um bei der prozessbegleitenden, magnetinduktiven Prüfung eine hohe Prüfempfindlichkeit zu erzielen, müssen die Prüfparameter wie Prüffrequenz und Anregungsfeldstärke optimiert werden. Doch nicht nur die Prüfparameter haben einen bedeutenden Einfluss auf die Prüfung, auch Störeffekte, welche z.B. durch den Fertigungsprozess bedingt sind, müssen beachtet werden. Im folgenden Blogbeitrag werden wir auf diese Störeinflüsse genauer eingehen.
Störeinflüsse bei der magnetinduktiven Wirbelstromprüfung:
| 1. Temperaturunterschiede der Prüfteile |
| 2. Geometrietoleranzen der Prüfteile |
| 3. Undefinierte Prüfpositionierung |
| 4. Chargeneffekte |
Temperatureinfluss
Unterschiedliche Temperaturen sowie unterschiedliche Positionierungen innerhalb der Prüfspule haben einen signifikanten Einfluss auf die Wirbelstromkennwerte Amplitude und Phasenlage. Die erhöhte Streuung führt dazu, dass eine eindeutige Separation der beiden Zustände nur begrenzt möglich ist. Im beschriebenen Fall werden infolge des Temperatureinflusses die elektrischen Kennwerte eines Prüfteils verändert. Dieser Störeinfluss überlagert die Prüfergebnisse derart, dass eine Trennung der unterschiedlichen Bauteilzustände nicht mehr mit ausreichender Prüfsicherheit möglich ist. Für den Serieneinsatz muss somit bei der Parameterauswahl immer auch der Einfluss kritischer Störeffekte betrachtet werden.
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Speziell der Einfluss sich ändernder Bauteiltemperaturen ist bei vielen industriellen Anwendungen der magnetinduktiven Prüfung ein signifikanter Störeffekt. Wie kann also der Einfluss der elektrischen Kenngröße gezielt unterdrückt werden, damit bei der Signalauswertung lediglich die magnetischen Kenngrößen betrachtet werden können?
Die Antwort auf diese Frage ist die sogenannte Oberwellenanalyse, die bei allen ferromagnetischen Werkstoffen eingesetzt werden kann.
Die Auswertung der Wirbelstromsignale (Oberwellenanalyse)
Grundlage für die Oberwellenanalyse bildet die sogenannte Hysteresekurve des jeweiligen Werkstoffzustands. Jeder Werkstoffzustand besitzt eine hinsichtlich Größe, Steilheit und Form typische Hysteresekurve. Sowohl für den statischen Fall als auch für eine dynamische Wechselfeldbeaufschlagung ergeben sich charakteristische Verläufe, welche gezielt nach ihren Kenngrößen wie Sättigungsmagnetisierung, Remanenz, Koerzitivfeldstärke oder Wattverluste ausgewertet werden können. Die in der Hysteresekurve enthaltenen Informationen über den Werkstoffzustand lassen sich in vergleichbarer Form mit der magnetinduktiven Prüfung ermitteln. Dabei müssen über die Wirbelstromspule sehr starke Magnetfelder angeregt werden, um die gesamte Information der Hysteresekurve aufnehmen zu können. Das Magnetfeld der Spule ist dabei proportional zum Spulenstrom.
Abb.2: Hysteresekurve
Bei einer starken sinusförmigen Magnetfeldanregung ergibt sich das Empfangssignal, d.h. der magnetische Fluss, aus einer Spiegelung des Sendesignals an der Hysteresekurve. Aufgrund der Spiegelung ist das Empfangssignal nicht mehr sinusförmig. Es wird durch die nicht lineare Form der vorliegenden Hysteresekurve „verzerrt bzw. individuell geprägt“. Gerade diese nicht sinusförmige Verzerrung des Empfangssignals bildet die Grundlage für die Information zum vorliegenden Werkstoffzustand.
Die gewünschte Information lässt sich nun über eine Fourierzerlegung des Empfangssignals der magnetinduktiven Prüfung entwickeln. Dabei können nur ungeradzahlige Vielfache der Grundwelle (Frequenz des Sendesignals) auftreten. Diese ungeradzahligen Vielfachen der angeregten Grundfrequenz werden als Harmonische bzw. Oberwellen bezeichnet. Sie beschreiben vollständig die „Verzerrung“ des Empfangssignals und enthalten folglich alle Informationen über die magnetischen Eigenschaften (Hysteresekurve) des vorliegenden Werkstoffzustandes. Durch die Auswertung der Oberwellen erhalten Sie also die in der Hysteresekurve enthaltenen Informationen über den Werkstoffzustand jedes ferromagnetischen Bauteils. Da es sich hierbei um einen magnetischen Kennwert handelt, verändern elektrische Einflussgrößen wie Bauteiltoleranzen, Positioniereffekte und insbesondere Temperaturschwankungen der Prüfteile nur sehr geringfügig die Prüfergebnisse. Daher ist die Oberwellen- im Unterschied zur Grundwellenauswertung sehr stabil gegen folgende Störeffekte im Praxiseinsatz:
- Geringer Temperatureinfluss
- Geringer Positioniereinfluss
- Geringer Einfluss von Bauteiltoleranzen
Chargeneffekte beeinflussen die Hysteresekurve deutlich weniger als Gefügeveränderungen wie das Härten. Daher wird bei einer Oberwellenanalyse zur Beschreibung der Härte oder Festigkeit der Chargeneinfluss weitgehend unterdrückt.
Damit ist die Oberwellenanalyse eine gegen Störeinflüsse resistente Auswerteform. Sie ermöglicht die zuverlässige Beschreibung der Gefügeveränderungen und den hieraus abzuleitenden mechanisch-technologischen Werten.
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