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Einführung Was Sind "SQUID'S" Wirbelstromprüfung MIT "SQUID'S" Grenzen der konventionellen Wirbelstromprüfung Eigenschaften von SQUID-Sensoren Prüfsystem MIT SQUID und Wirbelstromerregung Anregungs- u. Sensor-Konzepte SQUID-Kühlung Stand der Gerätetechnik System-Leistungen Leistungsvergleich an einfachen Proben Felgenprüfung Prüfung von Nietverbindungen Ausblick Literatur

Gehalten anläßlich der DGLR Jahrestagung 5.-8.Oktober 1998 Bremen
Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 1998

Einführung

Für zerstörungsfreie Prüfungen an Flugzeugstrukturen besteht die Nachfrage nach leistungsfähigen, wirtschaftlichen Verfahren, die auch bisher unzureichend abgedeckte Prüfaufgaben erfassen. Unter diesem Gesichtspunkt sind "SQUID's", höchst empfindliche Magnetfeldsensoren, in Verbindung mit der Anregung von Wirbelströmen auf mögliche Anwendung für Aufgaben der zerstörungsfreien Prüfung an Flugzeugstrukturen untersucht worden.

Was Sind "SQUID'S"

Supraleitende-Quanten-Interferenz-Detektor (SQUID) sind die empfindlichsten, heute verfügbaren, Detektoren für magnetische Felder. Es können noch Felder, die eine Million mal kleiner als das Erdfeld sind, gemessen werden. SQUID's beruhen auf dem physikalischen Effekt der Supraleitung, d.h. der verlustlosen Leitung von Strom (elektrischer Widerstand = 0) und der Verdrängung von Magnetfeldern aus dem Supraleiter. Ein SQUID besteht aus einem supraleitenden Ring mit mindestens einer Schwachstelle (Josephsonkontakt). Ein magnetischer Fluß im Inneren des Ringes beeinflußt den maximalen Suprastrom durch die schwache Koppelstelle. Bei einem konstant eingeprägtem Strom im Ring ergibt sich eine vom magnetischen Fluß abhängige Wechselspannung, die mit Hilfe geeigneter Elektronik registriert werden kann. Das Prinzip der Magnetfeldmessung mit SQUID ist im Bild 1 dargestellt.

Bild 1: Prinzip der Messung des magnetischen Flusses mit SQUID (Magnetometer)

SQUID's setzen den magnetischen Fluß in eine Spannung um (Fluß-Spannungs-Wandler). Je nach Ausführung der Aufnehmerschleife unterscheidet man

• Magnetometer, die das lokale Magnetfeld in einer Aufnehmerschleife erfassen und
• Gradiometer, zur Messung des Magnetfeld- gradienten ( Differenz des Flusses an zwei benachbarten Orten).

Damit in einem Material Supraleitung auftritt, muß es unter seine sogenannte Sprungtemperatur abgekühlt werden. Seit der Entdeckung der Hochtemperatur Supraleiter (HTSL) kann für die Kühlung an Stelle des teueren und schwer zu handhabenden flüssigen Helium's flüssiger Stickstoff verwendet werden.

Bild 2: Prinzip und Layout des Doppelloch-Planargradiometers(Forschungszentrum Jülich)

Wirbelstromprüfung MIT "SQUID'S"

Mittels einer von Wechselstrom durchflossenen Spule werden Wirbelströme in den zu prüfenden, metallischen Bauteilen induziert. Die Wirbelströme erzeugen ein Antwortmagnetfeld, das über dem Material gemessen wird. Liegen im Material Schäden (Anrisse, Korrosion) vor, so beeinflussen diese die Stärke der induzierten Wirbelströme, wodurch sich das Antwortfeld ändert. Das Antwortfeld kann mit verschiedenen Sensoren, Spule, Hallsonde und auch SQUID gemessen werden. Das Meßsignal wird bezüglich Amplitude und Phase (bezogen auf das Anregungssignal) analysiert und als Indiz für Fehler ausgewertet.

Grenzen der konventionellen Wirbelstromprüfung
Die Wirbelstromprüfung mit Spulensystemen wird zur Prüfung von Flugzeugteilen häufig eingesetzt. Der für die Prüfung zugängliche Bereich unter der Oberfläche hängt von der Frequenz mit der die Wirbelströme erregt werden, ab. Je höher die Frequenz ist, desto stärker schirmt das Material das Eindringen der Anregungsfelder ab, so daß nur noch oberflächennahe Fehler gefunden werden können. Mit niedrigen Anregungsfrequenzen kann man tiefer liegende, verborgene Fehler finden. Mit abnehmender Frequenz wird aber bei den Spulen-systemen die Empfindlichkeit immer schlechter und mit zunehmender Tiefenlage nimmt die auffindbare Fehlergröße zu. Die Empfindlichkeitsverluste können zum Teil durch größere Spulen kompensiert werden, jedoch wird mit wachsenden Durchmesser der Spulen die Ortsauflösung schlechter.

Eigenschaften von SQUID-Sensoren
Um tiefer im Material verborgene Fehler zu finden muß mit niedrigen Anregungsfrequenzen, bei denen Induktionsspulen mit abnehmender Frequenz immer schlechtere Leistungen haben, gearbeitet werden.

SQUID's dagegen haben bis zu sehr niedrigen Frequenzen von wenigen Hertz eine gleichbleibend hohe Empfindlichkeit und gleichzeitig eine sehr gute Ortsauf-lösung. Damit sind die Voraussetzungen, kleinere Schäden in größerer Materialtiefe zu entdecken, grundsätzlich gegeben.

Den Vorteilen der SQUID's hinsichtlich Empfindlichkeit und Ortsauflösung stehen einige Nachteile gegenüber. Sie müssen auf tiefe Temperaturen (Flüssig-Stickstoff) gekühlt werden und registrieren auf Grund ihrer hohen Empfindlichkeit magnetische Störfelder ( 50 Hz Netz, magnetisches Erdfeld) in der Umgebung. Starke Magnetfelder am Ort des SQUID sind zu vermeiden, da sie die Funktion des SQUID beeinträchtigen.

Aus den oben angeführten Gründen sind bis vor ca. 3 Jahren Untersuchungen zur zerstörungsfreien Prüfung von Flugzeugteilen mit ruhenden SQUID und bewegter Probe, zum Teil auch in magnetisch abgeschirmten Räumen und Kühlung mit flüssig Helium, durchgeführt worden.

Diese Randbedingungen haben mit realen Prüfbe-dingungen sehr wenig gemein. Unbedingt notwendige Voraussetzungen für mögliche Prüfungen an Flugzeugen sind


• mobile Systeme, die
• in industrieller Umgebung (elektromagnetische Störfelder)
• mit bewegtem SQUID-Sensor, der
• in allen Raumlagen zu betreiben ist, arbeiten.

Die Schaffung dieser Voraussetzungen und der Leistungsnachweis von Prüfsystemen mit SQUID waren das Ziel eines vom BMBF geförderten Verbundprojektes der Partner
Rohmann GmbH, Frankenthal (Projektleitung) Daimler-Benz Aerospace Airbus GmbH, Bremen Forschungszentrum Jülich GmbH, Jülich Institut für Angewandte Physik, Universität Gießen Institut für Luft- und Kältetechnik gGmbH, Dresden Lufthansa Technik AG, Hamburg.

Prüfsystem MIT SQUID und Wirbelstromerregung

Das Prüfsystem besteht aus den Hauptkomponenten


• Erregersystem für Wirbelströme
• SQUID-Sensor
• Kühlsystem für SQUID
• SQUID-Meßelektronik
• Auswertelektronik und
• Manipulator für SQUID-Bewegung.

Als Aufgabenstellungen für die Untersuchungen sind


• Prüfung von Flugzeugfelgen,
• Prüfung der Umgebung einzelner Verbindungselemente (Bolzen) und
• Prüfung von Nietverbindungen ausgewählt worden.

Anregungs- u. Sensor-Konzepte
Für Anregung der Wirbelströme kommen einerseits Ring-spulen, andererseits Doppel-D-Spulen (zwei Spulen nebeneinander, die von "Kreis"-Strömen entgegenge-setztem Drehsinn durchflossen werden) in Frage. Die D-Spule erzeugt ein Gradientenfeld, während die Rindspule ein "absolutes" Feld anregen.

Bild 3: Konzepte für Wirbelstrom-Anregung

Als SQUID-Sensoren können Magnetometer oder Gradiometer verwendet werden.

Es sind also 4 unterschiedliche Kombinationen von Anregung und SQUID-Sensor, die unterschiedliche Formen der Meßsignale ergeben, möglich. Die einfachste Signalform (Absolutsignal) erhält man für die Kombination Magnetometer mit Ringspule. Man muß bei dieser Kombination mit einer Kompensationsspule in der Nähe des SQUID dafür sorgen, daß die Anregungsfelder am Ort des SQUID nicht zu groß sind. Die komplexeste Signalform, ein Quadropol-Signal, erhält man bei der Kombination SQUID-Gradiometer mit Doppel-D-Spule. Die beiden anderen Kombinationen ergeben Differenzsignale. Die Doppel-D-Spule hat den Vorteil, daß ein SQUID-Sensor, der mittig über der Spule positioniert ist, praktisch vom Erregerfeld nicht beeinträchtig wird.

Das Untersuchungen und Messungen wurde haupsächlich mit SQUID-Magnetometern und Ringspule bzw. SQUID-Gradiometern und Doppel-D Spule durchgeführt.

SQUID-Kühlung
Für die Kühlung der SQUID's bieten sich zwei Konzepte


• Kryostat mit flüssig Stickstoff oder
• Maschinenkühlung an. Bei der Auswahl der Kühlung sind außer den erforderlichen Kühlleistungen die Anforderungen
• Mobilität,
• Lageunabhängigkeit (Betrieb in jeder Lage im Raum)
• keine Störungen des SQUID durch die Kühlung,
• Robustheit des Systems und
• Wartungsarmut zu erfüllen.

Bild 4: Lageunabhängiger Kryostat zur SQUID-Kühlung (ILK Dresden)

Diese zusätzlichen Anforderungen können von den üblichen Stickstoffkryostaten nicht erfüllt werden. Es sind spezielle, lageunabhängige Kryostate, die den Anforderungen der Wirbelstrom-SQUID-Prüfung, insbesondere keine Wirbelströme im Kryostatmaterial, genügen, erforderlich.

Es gibt mehrere Typen von Kältemaschinen, die die für SQUID-Betrieb benötigten Temperatur und Kühlleistung liefern. Es werden jedoch, (ohne spezielle Maßnahmen) je nach Funktionsprinzip der Kältemaschine durch mechanische Vibrationen oder elektromagnetische Felder, Störungen des SQUID-Signals verursacht. Die SQUID-Kühlung mit Joule-Thompson und Pulsrohrkühler (Pulse-Tube) ist untersucht worden.

Das ILK Dresden hat lageunabhängige Kryostate aus GFK (Glasfaserverstärktem Kunststoff) entwickelt, bei denen der SQUID-Sensor im Isolationsvakuum auf einem Saphir-Kaltfinger, der Kontakt zum Stickstoff-Vorrats-behälter hat, montiert ist. Der flüssige Stickstoff wird über das bis ins geometrische Zentrum des zylindrischen Vorratsbehälter ragende Rohr gefüllt und kann nicht auslaufen, da sich bei beliebiger räumlicher Orientierung des Kryostaten der Flüssigkeitsspiegel immer unterhalb des Füllrohrs befindet. Eine Füllung von 250 ml flüssigen Stickstoff reicht für eine Betriebszeit von bis zu 12 Stunden. Das Gewicht des Kryostaten mit SQUID-Einbau ist kleiner als 2 kg.

Stand der Gerätetechnik
Es sind zwei Gerätetypen :


• Stationäres System für die Prüfung von Flugzeugfelgen sowohl mit Kryostat als auch mit Maschinenkühlung und
• mobiles System mit Kryostat für Prüfungen am Flugzeug

entwickelt worden. Die Tauglichkeit dieser Systeme für den Einsatz in industrieller Umgebung wurde durch Versuche in der Felgenprüfhalle der Lufthansa in Frankfurt und bei der Daimler-Benz Aerospace Airbus in Bremen nachgewiesen. Während der Messe in Hannover (1997 ) wurden auf dem Stand des BMBF beide SQUID-Meßsystem störungsfrei betrieben ( Störsicherheit / Handy ). Das Bild 5 zeigt das mobile System bei der Erprobung an einer Flugzeugstruktur.

Bild 5: Mobiles SQUID-Prüfsystem am Flugzeug

System-Leistungen

Zur Ermittlung der Leistungen des Prüfsystems wurden, außer den Gerätevermessungen, Prüfungen an einfachen Proben (mit künstlichen Fehlern) und bauteilähnlichen Proben (mit natürlichen Fehlern) durchgeführt. Für den Leistungsvergleich ist die konventionelle Wirbelstrom-prüfung herangezogen worden.

Außer den praktischen Prüfungen dienten umfangreiche theoretische Untersuchungen zur


• Abschätzung der realen Eindringtiefe verschiedener Anregungsspulen,
• Bestimmung der optimalen Anregungsfrequenz bei unterschiedlichen Prüfbedingungen,
• Abschätzung der Fehlersignalstärke und
• Ermittlung der Wirbelstromverteilung in unterschiedlichen Prüfkörperen.

Leistungsvergleich an einfachen Proben
Leistungsvergleiche von SQUID und konventioneller Wirbelstromprüfung sind durch Messungen an einfachen Proben mit künstlichen Fehlern (Sägeschnitt) durchgeführt worden. Für die Messungen sind Bleche verschiedener Dicke mit Sägeschnitten unterschiedlicher Länge mit einem oder mehreren fehlerfreien Blechen abgedeckt worden (Stapelprobe). Die Proben wurden mit einer Mechanik abgefahren, die Meßdaten aufgezeichnet und ausgewertet. Das Bild 6 zeigt die Ergebnisse der Messungen an einem Sägeschnitt 40 mm x 0,15 mm in einem 1,2 mm dicken Blech überdeckt mit einem 12,7 mm ( 0,5 Zoll) dicken Blech. Man erkennt deutliche Unterschiede in der Qualität der Meßdaten.

BILD 6: Leistungsvergleich von SQUID-System und Wirbelstromprüfung

Aus derartigen Untersuchungen ergibt sich, insbesondere bei niedrigen Frequenzen für den SQUID-Sensor ein Empfindlichkeitsvorteil von mehr als einem Faktor 100 gegenüber den Induktionsspulen. Um diesen Empfindlichkeitsvorteil ausnutzen zu können müssen alle Komponenten der Elektronik auf den großen Dynamikbereich der SQUID abgestimmt werden.

Felgenprüfung


Bild 7: Beispiel : Felgenprüfung

Bild 8: Prüfbefunde an Nietverbindungen

Bei der Prüfung von Flugzeugfelgen auf innenliegende Fehler wird die Felge auf einer Rotiervorrichtung von außen spurweise mit einer Meßsonde abgetastet. Die besondere Schwierigkeit der Prüfung besteht darin, daß Wanddicken zwischen 5 mm und 40 mm zu durchdringen sind und der Restmagnetismus der ferromagnetischen "Keys" für die Aufnahme der Bremspakete eine sehr große Meßdynamik fordert. Das Bild 7 zeigt ein Beispiel für die Prüfung von Flugzeugfelgen mit künstlichen, innen-liegenden Fehlern (Sägeschnitt).

Die Wanddicke der Felge betrug ca. 10 mm, der Fehler mit 65 % Tiefe hat eine Länge von ca. 24 mm. Aus der dargestellten Mantelspur (einer anderen Felge) erkennt man, daß Fehler (Sägeschnitt) von 25 % Tiefe und ca. 10 mm Länge gut identifiziert werden.

Bei der üblichen Wirbelstromprüfung werden Fehler von 40 % Wandstärke und einer Länge entsprechend der doppelten Fehlertiefe sicher gefunden.

Prüfung von Nietverbindungen
Der Leistungsnachweis des SQUID-Systems bei der Prüfung von Nietverbindungen ist an Proben mit Ermüdungsrisse, deren Aufbau der Umfangsnietnaht des Airbus A300 entspricht, durchgeführt worden. An diesen Proben (Lage der Fehler in ca. 3 mm Tiefe) kommt die höhere Empfindlichkeit eines SQUID-Systems bei größeren Fehlertiefen noch nicht zum Tragen. Die Proben sind jedoch ausgewählt worden, weil für sie aus Qualifikationsuntersuchungen umfangreiche Prüf-ergebnisse der konventionellen Wirbelstromprüfung zum Vergleich zur Verfügung standen. Ausgewertet wurde in Abhängigkeit von der Rißlänge, die Wahrscheinlichkeit einen Fehler dieser Größe bei der Prüfung angezeigt zu bekommen (POD = Probabitlity of Detection). Das Bild 8 zeigt, in Abhängigkeit von der Rißlänge, die Wahr-scheinlichkeit für Fehleranzeigen .

Für die konventionelle Wirbelstromprüfung ist die Bandbreite (90 % Intervall) dargestellt worden. Diese Bandbreite ergibt sich aus den Befunden 6 verschiedener Prüfer an 39 Proben mit je 21 Nietbohrungen.

Die Ergebnisse der Prüfung mit SQUID sind als Balken dargestellt. Man erkennt, daß mit dem SQUID-System die Obergrenze (beste Prüfleistung) der Wirbelstromprüfung erreicht wird.

Ausblick

Mit der weltweit erstmaligen Realisierung in industrieller Umgebung einsetzbarer, mobiler Wirblstromprüfsysteme auf der Basis von Hochtemperatur-Supraleiter-SQUID konnte gezeigt werden, daß die Verwendung von SQUID-Sensoren im niederfrequentem Anregungsbereich einen Empfindlichkeitsvorteil von mehr als einem Faktor 100 gegenüber Induktionsspulen bietet. Die grundsätzliche Einsetzbarkeit von SQUID's wurde exemplarisch an der Prüfung von Flugzeugfelgen und Nietverbindungen gezeigt. Die Leistungen der SQUID-Prüfsysteme des derzeitigen Entwicklungsstandes liegen zumindest an der Obergrenze der Leistungen der konventionellen Wirbel-stromprüfung und sind zum Teil auch schon besser.

Es ist zu erwarten, daß bei SQUID's auf Grund ihrer großen Dynamik und des sehr guten Signal-Rausch-verhältnisses Auswertealgorithmen zur Trennung von Nutz- und Störsignalen eingesetzt werden können, die bei herkömmlichen Verfahren versagen, weil diese Systeme nicht die erforderliche Signaldynamik besitzen.

Literatur

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11. M.v.Kreutzbruck, J.Tröll, U.Baby, M.Mück, C.Heiden Detection of Deep Lying Cracks by Eddy Current SQUID NDE 7^th ECNDT, Kopenhagen 26-29 Mai 1998