Fertigung und Erprobung eines Mikro-Wirbelstromsensors zur Abstandsmessung

Wirbelstromprüfung

1. Prinzip der Wirbelstromprüfung

Nach DIN 54140 Teil 1-3 basiert das Grundprinzip des Wirbelstrommessverfahrens auf der Detektion der Induktionswirkung von Wirbelströmen, die in einem leitfähigen Prüfobjekt induziert werden.

Induzierte Wirbelströme entstehen dem Faradayschen Induktionsgesetz nach in einem elektrisch leitenden Körper, wenn dieser sich in einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld befindet [SAW02]. Die Induktion wird durch die Maxwellschen Feldgleichungen (Induktionsgesetz) beschrieben [KÜP90]:

∂B

^{rot E} Ind

− . (2.1)

∂t

Dabei ist B die anregende magnetische Flussdichte und elektrische Feldstärke.



^E Ind^{die induzierte}

Der Wechselstrom erzeugt ein wechselndes Magnetfeld, dessen Flussstärke φ _P

proportional zur Anzahl der Spulenwindungen

N_P und der Strom i_P

ist:

φ_P ∼ N_P ⋅ i_P . (2.2)

Wenn das Messobjekt elektrisch leitend ist, fließen elektrische Ströme, die kreisförmige Feldlinien aufweisen. Diese Wirbelströme erzeugen nach der Lenzschen Regel (Gl. 2.3) einen magnetischen Fluss, der dem Magnetfeld der Spule entgegenwirkt. Das aus dieser Überlagerung resultierende Magnetfeld (Gl. 2.4) lässt sich direkt aus der Änderung der Flussstärke der Spulen ablesen.

_O ∼ i_O

(2.3)

φ_M φ_P −φ._O

(2.4)

Dabei ist φ_P

der magnetische Fluss des Ausgangsfehlers und φ₀

der magnetische

Fluss der Spule.

Die Magnetisierungsprozesse laufen in Abhängigkeit von der Feldstärke des magnetisierenden Feldes ab. Das von der Spule erzeugte Magnetfeld H ist proportional zur Stromstärke i und der Windungszahl w einer Spule der Länge l gemäß:

H i ^w

l
(2.5)

Das Induktionsgesetz ist auch einsetzbar, um die induzierte Spannung als Magnetfelddetektor der Empfängerspule zu beschreiben [GHE82]. Bei hohen Frequenzen ist die Empfindlichkeit der Empfängerspule sehr hoch, weil die Größe der induzierten Spannung in der Empfängerspule mit der Frequenz korelliert. Bei niedrigeren Frequenzen muss die geringere Empfindlichkeit der Spule durch vergrößerte Abmessungen kompensiert werden.

Bild 2.2 zeigt die schematische Darstellung einer Messung mit einem Wirbelstromsensor. Als Messobjekt wird ein leitendes magnetisches Material herangezogen. Bei der Messung erzeugt eine Erregerspule ein magnetisches Wechselfeld (Bild 2.2.a). Dieses Wechselfeld induziert Wirbelströme in einem leitenden Messobjekt (Bild 2.2.b). Diese Wirbelströme sind ihrerseits von einem Magnetfeld umgeben (Bild 2.2.c), das dem magnetischen Wechselfeld entgegenwirkt und dieses schwächt (Bild 2.2.d). Je stärker die induzierten Wirbelströme im Messobjekt sind, desto mehr wird das erregende Wechselfeld geschwächt. Eine Messspule erfasst das resultierende Gesamtfeld (Bild 2.2.e).

2005 imt 5017-003
Bild 2.2: Schematische Darstellung einer Wirbelstrommessung [GAT02]

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