Fertigung und Erprobung eines Mikro-Wirbelstromsensors zur Abstandsmessung

Prüfspulenarten

Das Wirbelstrommessverfahren basiert auf der Verwendung einer, zweier (Erregerspule und Messspule) oder mehreren Spulen, die aus einer oder mehreren Wicklungen bestehen. In Abhängigkeit von der Aufgabenstellung werden unterschiedliche Spulenarten verwendet.

Bei den heutzutage existierenden Wirbelstromprüfverfahren haben sich mehrere Arten von Prüfspulen als nützlich erwiesen. Dazu gehören Durchlaufspulen unterschiedlicher Ausführung, Tastspulen, Gabelspulen und zwei Typen von Innenspulen [SCH91].

Den einfachsten Aufbau hat die Durchlaufspule. Es handelt sich dabei um eine Zylinderspule mit nur einer Wicklung, durch die das Messobjekt hindurchgeführt wird.

Dabei ändert sich der Scheinwiderstand der Spule (Bild 2.11.a). Durchlaufspulen werden überwiegend für Schichtdickenmessungen eingesetzt.

Bei einer Durchlaufspule vom Transformatortyp erzeugt die Primärspule ein Magnetfeld im Bereich der Sekundärspule, wo sich auch das Prüfobjekt befindet. In diesem Fall tritt eine Spannung am Ausgang der Sekundärspule auf, die erfasst werden kann. Das Messobjekt wird hier als Spulenkern eingesetzt.

1. 
   Spule
   

Primärspule ^{Sekundärspule}

b)

2005 imt 5017-012
Messobjekt Messobjekt

Bild 2.11: Durchlaufspulen bei der Wirbelstrommessung a) Durchlaufspule vom Parametertyp, b) Durchlaufspule vom Transformatortyp

Das Messergebnis wird nicht nur durch die Eigenschaften des Prüfobjektes beeinflusst, sondern auch durch die Spulenabmessungen und die Windungszahl der Sekundärspule (Bild 2.11.b).

1. 
   ^Spule b) Primärspule Sekundärspule
   

2005 imt 5017-013
Messobjekt Messobjekt

Bild 2.12: Tastspulen bei der Wirbelstrommessung a) Tastspule vom Parametertyp,

2. 
   Tastspule vom Transformatortyp
   

Die Tastspule vom Parametertyp ist wie die Parameterdurchlaufspule sehr einfach aufgebaut (Bild 2.12.a). Sie wird oft für Schichtdickenmessungen als Koppelelement angewendet. Durch einen entsprechenden Aufbau und die Anpassung des Frequenzbereichs können zahlreiche Messaufgaben gelöst werden. Die Tastspule vom Transformatortyp erzeugt mit Hilfe der Primärspule ein magnetisches Wechselfeld. Dieses Feld wird vom Prüfobjekt entsprechend dessen Eigenschaften geändert. Die Sekundärspule wird auf derselben Achse wie der Träger mit der Primärspule positioniert und erfasst diese Änderung des Magnetfeldes in ihrer Ausgangsspannung (Bild 2.12.b).

1. 
   Primärspule
   

Messobjekt

Sekundärspule

2. 
   Primärspule Sekundärspule
   

2005 imt 5017-014
Messobjekt

Bild 2.13: Gabelspulen bei der Wirbelstrommessung a) Gabelspule vom Parametertyp, b) Gabelspule vom Transformatortyp

Die Gabelspule (Bild 2.13.a) ist zum Transformatortyp zu zählen. Die Primär- und Sekundärspulen sind auf denselben Achsen angeordnet, aber auf getrennten Trägern positioniert. Das Messobjekt läuft zwischen beiden Spulen hindurch und schirmt sie dabei gegeneinander ab. Die Sekundärspule misst die unter dem Einfluss des Prüfobjektes geänderte Spannung. Als Variation der Gabelspule kann eine Ausführung mit Kompensationswicklung über der Primärspule betrachtet werden (Bild 2.13.b). In diesem Fall ist die Ausgangsspannung bei fehlendem Prüfobjekt gleich null, und die Empfindlichkeit der Messspule erhöht sich.

Die Innenspule vom Parametertyp stellt eine Spezialausführung der Tastspule dar. Die Zylinderspule wird in einem hohlen Prüfobjekt so positioniert, dass dieses vom magnetischen Feld durchdrungen wird (Bild 2.14.a). Damit besteht eine Analogie zwischen der Durchlaufspule und der Innenspule dieses Typs.

Eine weitere Klassifizierung stellt die Innenspule vom Transformatortyp dar. Diese ist der Innenspule vom Parametertyp sehr ähnlich und wird meistens zur Prüfung von Rohren und Hohlräumen herangezogen (Bild 2.14.b). Zudem besteht auch die Möglichkeit, diese Spulen bei der Schichtdickenmessung einzusetzen.

1. 
   Primärspule _b) ^Primärspule
   

Messobjekt

Messobjekt

Sekundärspule

2005 imt 5017-015
Bild 2.14: Innenspulen bei der Wirbelstrommessung a) Innenspulen vom Parametertyp, b) Innenspulen vom Transformatortyp

Alle genannten Spulentypen lassen sich an Prüfbedingungen und Prüfaufgaben durch Variation von Geometrie und Aufbau anpassen. Die Wechselwirkung zwischen dem Prüfobjekt und den Spulen muss bei solchen Variationen optimiert sein.

3.