Rissprüfung: Wie stelle ich meine Filter und Frequenzen richtig ein?

Die Rissprüfung mittels Wirbelstroms bietet eine praktikable Möglichkeit, um oberflächenoffene Fehler wie zum Beispiel Risse oder Poren zu detektieren. Die korrekt angepassten Einstellungen der Filter in Bezug auf Fehlergröße, Spurbreite der Sonde und Rotationsgeschwindigkeit ist für eine erfolgreiche Wirbelstromprüfung unumgänglich.

Eine kurze Einführung in die Rissprüfung

Eine Rissprüfung kann statisch oder dynamisch erfolgen. Bei der dynamischen Rissprüfung wird entweder der Sensor, in dem Erreger- und Messspule verbaut sind, oder das zu prüfende Teil in konstante Rotation versetzt. Eine Prüfsonde mit einer spezifischen Spurbreite prüft den definierten Prüfbereich. Ist der Prüfbereich größer als die Spurbreite, bewegt sich die Sonde über die Oberfläche und scannt diese ab. Wenn die Oberfläche des Prüfteils keine Einschlüsse oder Beschädigungen aufweist, fließen die Wirbelströme gleichmäßig im Material. Sobald ein Einschluss oder ein Riss in der Oberfläche des Prüfteils auftaucht, verändert sich der elektrische Widerstand und der Wirbelstrom wird kleiner oder muss „ausweichen“. Dadurch ändert sich die Wirbelstromdichte. Diese Änderung wird von der Messspule erkannt und ausgewertet. Diese Art der zerstörungsfreien, dynamischen Rissprüfung kann automatisiert eingesetzt werden und kommt zum Beispiel an vielen Komponenten in der Automobilbranche zum Einsatz.

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Bei der statischen Rissprüfung wird der Sensor per Hand über die Oberfläche des Prüfteils bewegt, diese Art der Prüfung findet beispielsweise bei Wartungsprüfungen von verschiedenen sicherheitsrelevanten Bauteilen u.a. in der Luftfahrindustrie statt.

Zusammenfassend kann man sagen, dass die Rissprüfung mittels Wirbelstroms eine praktikable Möglichkeit bietet, um oberflächenoffene Fehler wie zum Beispiel Risse oder Poren zu detektieren.

Die korrekt angepassten Einstellungen der Filter in Bezug auf Fehlergröße, Spurbreite der Sonde und Rotationsgeschwindigkeit ist für eine erfolgreiche Wirbelstromprüfung unumgänglich. Eine optimierte Einstellung der Prüfparameter verbessert die Stabilität der Prüfung und reduziert den Pseudoausschuss erheblich.

Filtermöglichkeiten des Fehlersignals durch die Wirbelstromprüfung 

1. Prüffrequenz 

Die korrekte Auswahl der spezifischen Größe der Prüffrequenz hängt von den Anforderungen der Applikation, der spezifischen Sonde und des zu prüfenden, elektrisch leitfähigen Werkstoffs ab. Die Prüffrequenz bestimmt die sogenannte Eindringtiefe, sprich die Verteilung der Wirbelströme in der Tiefe der Materialoberfläche.

Zudem sind Wirbelströme stark abhängig vom Abstand der Sonde zur jeweiligen Material- bzw. Prüfoberfläche.

Tastsonden zur zerstörungsfreien Rissprüfung mittels Wirbelstrom

Je höher die Prüffrequenz, desto größer ist die Anzahl der, an der Materialoberfläche erzeugten Wirbelströme. Andererseits nimmt mit zunehmender Prüffrequenz die Wirbelstromstärke bzw. deren Eindringtiefe an der Oberfläche rapide ab. Sprich relativ hohe Prüffrequenzen werden genutzt, um oberflächenoffene Fehler zu detektieren. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass die elektrische Leitfähigkeit und die Permeabilität (Durchlässigkeit eines Materials für magnetische Felder), denselben Einfluss auf die Verteilung der Wirbelstromstärke erheben, wie die ausgewählte Prüffrequenz. Daher können mit der Auswahl der Prüffrequenz sowohl die Prüfempfindlichkeit als auch das von Wirbelströmen durchdrungene Material gezielt justiert werden.

Hohe Prüffrequenzen sorgen für Wirbelströme an der Oberfläche des Prüfteils und liefern eine optimale Empfindlichkeit gegenüber offenliegenden Rissen oder Poren.

Niedrige Prüffrequenzen liefern hingegen aufgrund der stärkeren Eindringtiefe eine bessere Empfindlichkeit für Fehler, die sich nah unter der Oberfläche befinden. 

2. Hochpassfilter 

Hochpassfilter unterdrücken niederfrequente Störungen, wie zum Beispiel langsame Positions- oder Füllfaktoränderungen. Die hierbei einzustellende Prüffrequenz hängt zum größten Teil von der Relativgeschwindigkeit zwischen Prüfsonde und Prüfteil ab. Ist der Filter im Vergleich zum Vorschub zu eng eingestellt, werden Fehlersignale unterdrückt und die Prüfung kann nicht prozesssicher vollzogen werden.

Hochpassfilter werden meist bei rotierenden Prüfungen eingesetzt. Hierbei hängt die Oberflächengeschwindigkeit von der Drehzahl der konstant rotierenden Einheit (z.B. Drehmaschine) ab. Mithilfe von Hochpassfiltern können beispielsweise Leitfähigkeitsunterschiede, Geometrievariationen, aber auch Abstandssignale („Lift-off“) herausgefiltert werden.

Es ist zu beachten, dass das Frequenzspektrum der Störsignale und der spezifizierten Fehlersignale sowohl von der jeweiligen Prüfgeschwindigkeit als auch von den Eigenschaften des verwendeten Sensors abhängt:

• Je größer die Prüfgeschwindigkeit und je kleiner die Sondenspurbreite,
  desto höher ist die Frequenz der Signale.
  
• Je kleiner die Prüfgeschwindigkeit und je größer die Sondenspurbreite,
  desto niedriger ist die Frequenz der Signale.

3. Tiefpassfilter 

Tiefpassfilter werden benötigt, um störende hochfrequente Signale des Frequenzbandes zu unterdrücken, während die Frequenzen unterhalb einer gewissen Grenzfrequenz (spezifische Fehlersignale) unbeeinflusst bleiben.

Bei der Rissprüfung mittels Wirbelstroms werden mithilfe von Tiefpassfiltern beispielweise hochfrequente elektromagnetische Felder oder elektronisches Rauschen des Prüfmittels unterdrückt. Es gilt zu beachten, dass das Frequenzspektrum der Störsignale und der spezifischen Fehlersignale sowohl von der Prüfgeschwindigkeit als auch von den Eigenschaften des verwendeten Sensors anhängt.

Die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters ist entsprechend eingestellt, wenn die höherfrequenten Störsignale effektiv unterdrückt werden, wobei die spezifischen Fehlersignale noch mit maximaler Signalamplitude zur Anzeige kommen.

Eine optimale Einstellung von Hoch- und Tiefpassfiltern ohne Unterdrückung der Fehlersignale verbessert das sogenannte Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zwischen aufzulösendem Fehler und Grundrauschen des Prüfmaterials. Je größer das SNR einer Prüfung ausfällt, desto stabiler ist die Prüfung. Durch ein hohes SNR ist entsprechend mit weniger Pseudoausschuss zu rechnen. 

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Damit die Rissprüfung noch einfacher und intuitiver erfolgen kann, hat FOERSTER den STATOGRAPH umfassend weiterentwickelt. Um Bediener bei der Ermittlung der optimalen Filtereinstellung zu leiten und zu unterstützen, verfügt das Prüfgerät STATOGRAPH CM 6.470 von FOERSTER über eine automatische Parameteroptimierung.

STATOGRAPH CM

Damit jeder Oberflächenfehler zuverlässig erkannt wird, hat FOERSTER die Hoch- und Tiefpassfilter weiter verbessert. Die Filter können präzise angepasst werden, damit Störsignale umfassend herausgefiltert werden. Mit der optimierten Abstandskompensationen können selbst größere Abstandsänderungen problemlos ausgeglichen werden.

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