Fertigung und Erprobung eines Mikro-Wirbelstromsensors zur Abstandsmessung

Eindringtiefe des Magnetfeldes

Die Feldverteilung im Messobjekt wird haupsächlich durch die vertikale Verteilung (Eindringtiefe) und die Verteilung entlang der Oberfläche (Wirkbreite) beschrieben. Diese Werte zeigen definierte Abschwächungen der Wirbelstromdichte unterhalb des Sensors. Die Wirkbreite zeigt eine Reduzierung der Wirbelstromdichte bezogen auf den maximalen Messbereich und dient zur Abschätzung des Ortsauflö-
sungsvermögens des Sensors für eine bestimmte Anregungsfrequenz. Die Eindring- tiefe charakterisiert die Reduzierung der Wirbelstromdichte in Abhängigkeit von der Objekttiefe. Das Eindringen des Magnetfeldes im elektrisch leitenden, unendlich

ausgedehnten (-∞ < z < 0) Messobjekt kann nach folgender Formel ermittelt werden:

δ  (2.6)
dabei ist die Eindringtiefe, die Windungszahl, die Permeabilität und die Leitfähigkeit.

Diese Formel steht zwar im Widerspruch zur wirklichen Abschwächung der Wirbelstromdichte, weil das elektromagnetische Feld als homogene und ebene Welle angesehen wird, ermöglicht aber mithilfe der Wirkbreite eine gute Abschätzung der Wirbelstromverteilung in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz (Bild 2.3). Die Wirbelstromverteilung ist nicht allein von der Frequenz, sondern auch in starkem Maß von der Form und Anordnung der Erregerspule abhängig.

Erregerspule

Wirbelstrom

δ _S

3 δ _S
Relative Wirbelstromdichte [%]
0 20 ^{40 60 80 100}


1/e

Messobjekt
Eindringtiefe im Messobjekt

2005 imt 5017-004
Bild 2.3: Eindringtiefe des Magnetfeldes

Die Eindringtiefe der Wirbelströme ins Material zeigt, in welchem Volumen des Prüfobjektes das Magnetfeld von der Spule erfasst werden kann und in welchem Bereich die für eine aussagekräftige Messung ausreichende Stromdichte vorhanden ist. Die Intensität und räumliche Verteilung der Wirbelströme ist vom Abstand zwischen Prüfobjekt und Messsensor, der elektrischen Leitfähigkeit und der magnetischen Permeabilität des Prüfmaterials, den Abmessungen des Objektes und potentiellen Werkstofffehlern abhängig.

Um einerseits eine bessere magnetische Kopplung zwischen den Spulen zu erzielen, anderseits das magnetische Feld auf das Material zu konzentrieren und

damit die Auflösung von Messungen zu verbessern, werden die Spulen der Wirbelstromsensoren mit einem magnetischen Kern ausgestattet. Der Kern beeinflusst nicht nur die Wirbelstromverteilung der Erregerspule, sondern erzielt auch wesentlich höhere Messempfindlichkeiten der Messspule. Bei der Auswahl eines geeigneten Kernmaterials spielen magnetische Eigenschaften des Werkstoffs, speziell die Permeabilität, eine sehr große Rolle.

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