Wirbelstromprüfung

Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Welches Prinzip liegt der Wirbelstromprüfung zugrunde?
  • Weshalb werden häufig zwei Empfängerspulen gegeneinander geschaltet?

Mihilfe der Wirbelstromprüfung können elektrisch Leitfähige Materialien im oberflächennahen Bereich auf Poren, Einschlüsse und Risse untersucht werden. Auch Schichtdickenprüfungen und Gefügeuntersuchungen sind mit diesem Verfahren möglich.

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Abbildung: Messgerät für die Wirbelstromprüfung

Der Wirbelstromprüfung liegt das Prinzip der elektromagnetischen Induktion zugrunde. Hierzu wird zunächst in einer mit Wechselstrom durchflossenen Erregerspule ein sich ständig wechselndes Magnetfeld erzeugt (Primärfeld). 

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Abbildung: Induktion von Wirbelströmen durch primäres Magnetfeld

Dieses magnetische Wechselfeld induziert in der Nähe von metallsichen Oberfläche einen ringförmigen Stromfluss, welcher auch als Wirbelstrom bezeichnet wird. Auch dieser Wirbelstrom ändert sich gemäß dem wechselnden Primärmagnetfeld ständig. Die Wirbelströme können analog zu den spiralförmig verlaufenden Strömen der Erregerspule betrachtet werden und erzeugen somit ebenfalls ein Magnetfeld (Sekundärfeld).

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Abbildung: Durch Wirbelströme erzeugtes sekundäres Magnetfeld

Das im Werkstück durch Wirbelströme induzierte sekundäre Magnetfeld ist entgegengesetz zum äußeren primären Magnetfeld der Erregerspule gerichtet (Lenz’sche Regel). Das Sekundärfeld schwächt somit das Primärfeld und es entsteht ein etwas schwächer ausfallendes magnetisches Gesamtfeld.

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Abbildung: Gesamtfeld als Überlagerung von Primär- und Sekundärfeld

Je nachdem wie gut oder schlecht die zu prüfende Oberfläche den Strom leitet, bilden sich mehr oder weniger starke Wirbelströme aus. Dies wiederum hat direkte Auswirkungen auf die Stärke des Sekundärfeldes und damit auf das Gesamtfeld. Auch die magnetischen Eigenschaften der zu prüfenden Oberfläche beeinflussen das Sekundärfeld und somit das Gesamtfeld. An Rissen, Poren oder sonstigen Einschlüssen ändern sich die elektrischen und magnetischen Eigenschaften in der Regel sehr stark, sodass sich dort das magnetische Gesamtfeld ändert. Die Änderung des magnetischen Gesamtfeldes dient somit als Nachweis von Fehlstellen.

Beachte, dass letztlich nur das Gesamtfeld auch tatsächlich physikalisch vorhanden ist. Das Primärfeld und das Sekundärfeld existiert für sich genommen nicht, da sich diese ja zum Gesamtfeld überlagern und in der Realität nicht getrennt existieren.

Um das Gesamtfeld bzw. dessen Änderung zu detektieren wird wiederum der Induktionseffekt ausgenutzt. Das ständig wechselnde Gesamtfeld induziert in einer weiteren Spule (Empfängerspule) eine Induktionsspannung. Diese Induktionsspannung in der Empfängerspule dient dann letztlich als Messgröße, da sich mit änderndem Gesamtfeld auch die Induktionsspannung an der Empfängerspule ändert.

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Abbildung: Prinzip der Wirbelstromprüfung

Bei sogenannten Tastspulen ist die Empfängerspule direkt innerhalb der Erregerspule integriert. Um die Messempfindlichkeit zu steigern können auch zwei Empfängerspulen gegeneinander geschaltet werden. In diesem Fall wird dann nicht die Induktionsspannung einer Empfängerspule gemessen sondern die messtechnisch viel empfindlichere Differenz zwischen den Empfängerspulenspannungen.

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Animation: Prinzip der Wirbelstromprüfung