Erforschung von Algorithmen zur absoluten, quantitativen Leitfähigkeitsmessung mit Wirbelstromverfahren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Henning Heuer; Professor Dr. Jörg Wensch
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271629349

Zerstörungsfreie Prüfverfahren sind eine wichtige Voraussetzungen für eine sichere und zuverlässige Funktion von Bauteilen bei Ausschöpfung von Werkstoffgrenzen. Ein weit verbreitetes Verfahren ist die Wirbelstromprüfung für elektrisch leitfähige Materialien. Neben der Erkennung von Materialfehlern ist es möglich, Materialeigenschaften zu bestimmen. Diese Eigenschaften werden über ihren Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit ermittelt. Ein elektromagnetisches Feld induziert Wirbelströme im Material, deren Stärke von den Materialparametern (Leitfähigkeit, Permeabilität, Geometrie) abhängt. Durch Bestimmung der Spulenimpedanz kann man diesen Einfluss messen. Die Impedanzwerte sind dabei stark von Frequenz und Lift-Off, also dem Abstand der Spule zum untersuchten Material, abhängig. Bisher erfolgt die Messung der elektrischen Leitfähigkeit mittels Wirbelstrom auf einer sehr empirischen Grundlage. Mittels Referenzproben mit unterschiedlicher Leitfähigkeit wird eine Kalibrierkurve bestimmt. Diese Kalibrierung ist nur für ein Gerät, eine Frequenz und meist nur einen eng begrenzten Lift-Off- Bereich gültig. Gleichzeitig besteht das Problem, dass für die Bestimmung der Kurven meist nicht ausreichend genaue und abgestufte Referenzproben vorhanden sind. Durch Simulation wurde ein neuer theoretischer Ansatz gefunden. Es ist ein anderer Weg, der die direkte Bestimmung der Leitfähigkeiten über die physikalischen Gesetze und nicht mehr über empirische Kalibrierkurven ermöglicht. Dies ist nicht mehr auf eine bestimmte Messfrequenz begrenzt. Zusätzlich kann der Lift-Off einem gemessenen Impedanzwert direkt zugeordnet werden. Diese neue Methode ermöglicht eine Leitfähigkeitstomographie. Eine Integration über den Feldverlauf im Material müsste zum Wert der Leitfähigkeit führen. Der Zusam¬men¬hang zwischen dem Wert des Integrals und der Leitfähigkeit soll gefunden werden. Dies ist mathematisch sehr anspruchsvoll, denn es führt auf ein inverses Problem. Aus Messwerten an einem Punkt an der Oberfläche soll auf die elektrischen Eigenschaften im Ausbreitungsraum geschlossen werden. Es wird angenommen, dass die Leitfähigkeit sich nur in der Tiefe (z-Richtung, Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle) ändert, dagegen in der Ebene überall gleich ist. Verändert man die Eindringtiefe durch eine Frequenzänderung, hat das Material in einer bestimmten Tiefe immer einen anderen Einfluss auf das zu berechnende Integral. Daraus soll ein Algorithmus für eine Bestimmung der Leitfähigkeit als Funktion der Tiefe erarbeitet werden. Bei dünnen Schichten scheint es möglich zu sein, gleichzeitig deren Dicke und Leitfähigkeit sowie näherungsweise auch die des Trägermaterials zu bestimmen. Der neue Ansatz soll untersucht und für den Einsatz in der Praxis aufbereitet werden. Eine modifizierte Hardware ist notwendig, die nicht nur die Empfangsspannung misst, sondern zusätzlich den Strom in der Sendespule, was die Berechnung der Impedanz des Prüfaufbaus ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen