NDT.net • Oct 2005 • Vol. 10 No.10

Mikrowellen-Defektoskopie mit erweitertem Wirbelstromprüfsystem

J. H. Hinken
FI Test- und Messtechnik GmbH, Magdeburg, Germany, www.fitm.DE und
Hochschule Magdeburg-Stendal (FH), Germany, www.hs-magdeburg.de

D. Beilken
FI Test- und Messtechnik GmbH, Magdeburg, Germany, www.fitm.DE

Corresponding Author Contact:
Email: johann.hinken@et.hs-magdeburg.de, Internet: www.elektrotechnik.hs-magdeburg.de/...


[English]

Abstract

Die mikrowellengestützte zerstörungsfreie Prüfung hat sich für die Defektoskopie an Bauteilen aus Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen als leistungsfähig erwiesen. Es wird hier ein Vorschaltgerät für handelsübliche Wirbelstromprüfsysteme beschrieben, mit dem ihre Einsatzmöglichkeiten auf solche mikrowellenbasierte Defektoskopie erweitert werden können. Die Prüfergebnisse stellen sich dann auch ähnlich wie bei der Wirbelstromprüfung dar. Diese Gerätekombination macht es dem Prüfer leicht, die noch neue mikrowellengestützte zerstörungsfreie Prüfung anzuwenden. Das Prinzip wird am Beispiel der Prüfung einer Polypropylen-Platte mit Flachbodenbohrungen beschrieben: Die Defektsignaturen geben Aufschluss sowohl über die Größe des Defektes, als auch seine Tiefenlage unter der Oberfläche.

1. Introduction

Die mikrowellengestützte zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) hat sich in Machbarkeitsstudien als besonders leistungsfähig zur Defektoskopie von Bauteilen aus Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen erwiesen [1, 2, 3]. Solche Materialien werden aus Gründen der Gewichtsersparnis zunehmend im Automobil-, Flugzeug- und Schiffsbau sowie in anderen Industriebereichen eingesetzt.
Die Mikrowellen-Defektoskopie stellt sich bislang jedoch weitgehend als akademischer Forschungsgegenstand dar, weniger als Routineverfahren in der Praxis. Die Gründe dafür liegen vermutlich darin, dass Technik und Interpretation der Messergebnisse kompliziert anmuten. Die hier vorgestellte Arbeit löst die damit zusammenhängenden Probleme durch ein geeignetes Vorschaltgerät für handelsübliche Wirbelstromprüfsysteme. Dies macht es dem erfahrenen Prüfer leicht, mikrowellengestützte ZfP anzuwenden. Und auch die Messergebnisse stellen sich ganz ähnlich dar wie in der bekannten Wirbelstromprüfung. Die folgenden Abschnitte zeigen diese Prinzipien.

2. Aufbau des Prüfsystems

Bild 1 zeigt das Prinzip des Prüfsystems.


Bild 1: Prinzipieller Aufbau des Prüfsystems, bestehend aus herkömmlichem Wirbelstromprüfgerät, Vorschaltgerät und Prüfkopf. Angedeutet ist auch das Messobjekt.

Es besteht zunächst aus einem herkömmlichen Wirbelstromprüfgerät, hier die PC-Einsteckkarte PC4 mit der ScanAlyzer-Software von der Rohmann GmbH. Es wird bei 5 MHz betrieben. Das Erregersignal wird im Vorschaltgerät mit Hilfe eines 10-GHz-Oszillators und eines Einseitenband-Modulators (ESB-Mod.) auf eine Frequenz von 10,005 GHz umgesetzt. Über einen Zirkulator, der Signale nur in Pfeilrichtung von einem Tor zum benachbarten überträgt, wird der Prüfkopf gespeist. Dieser besteht aus einer Mikrowellen-Abstimmeinrichtung und einer Lochblende am Ende eines Rechteckholleiters. Die Blendenabmessungen sind 10,00 mm x 2,00 mm. Die Hohlleiterabmessungen sind 22,86 mm x 10,16 mm (X-Band). Über die schlitzförmige Blende wird Mikrowellenleistung in das Messobjekt abgestrahlt, und das von dort reflektierte Signal wird durch den Prüfkopf wieder aufgenommen und über den Zirkulator dem Einseitband-Demodulator (ESB-Demod.) zugeführt. Weil Modulator und Demodulator von demselben 10-GHz-Oszillator gespeist werden, ist das 5-MHz-Ausgangssignal des ESB-Demodulators, das zugleich das Eingangssignal des Wirbelstromprüfgerätes ist, phasenstarr mit dem 5-MHz-Erregersignal verbunden. Das 5-MHz-Eingangssignal des Wirbelstromprüfgerätes enthält jedoch die Betrags- und Phaseninformation des reflektierten Mikrowellensignals im Prüfkopf. Es hängt damit unmittelbar von der Geometrie des Messobjektes und der Verteilung der Dielektrizitätszahl εr in ihm ab. So stellen sich im Reflexionsfaktor Bereiche mit Lunkern (εr=1) anders dar als defektfreies Material mit εr>1.
Die erwähnte Abstimmeinrichtung im Prüfkopf wird zweckmäßigerweise so eingestellt, dass in einem defektfreien Bereich des Messobjekts sich das in das Vorschaltgerät reflektierte Mikrowellensignal zu Null ergibt. Nun wird das Wirbelstromprüfgerät so eingestellt, dass die Anzeige in seiner komplexen Ebene im Ursprung liegt. Defekte stellen sich dann als Auslenkungen aus dem Ursprung dar.

3. Measuring results



a) Prinzip der Verteilung der FBHs distribution of FBH

b) Photo der Platte
Bild 2: Polypropylen(PP)-Platte mit Flachbodenbohrungen (FBH). Durchmesser d=4 mm, 6 mm, 10 mm. Tiefenlage bzw. Restwandstärke der Flachbodenbohrungen t=4 mm, 2 mm, 0 mm (durchgehende Bohrung). Ansicht von der Lochseite, Plattendicke 10 mm.

Bild 2 zeigt die verwendete Polypropylen-Platte mit Flachbodenbohrungen. Die Dielektrizitätszahl liegt im Bereich εr= 2,2 ... 2,6 [4].

d=10mm, t=4mm, v=1 d=6mm, t=4mm, v=1 d=4mm, t=4mm, v=1
d=10mm, t=2mm, v=1 d=6mm, t=2mm, v=1 d=4mm, t=2mm, v=1
d=10mm, t=0mm, v=0.5 d=6mm, t=0mm, v=0.5 d=4mm, t=0mm, v=0.5
Bild 3: Gemessene Signaturen der Flachbodenbohrungen von der verdeckten Seite. Von links nach rechts: Bohrungsdurchmesser d = 10 mm, 6 mm, 4 mm. Von oben nach unten: Restwandstärke t = 4 mm, 2 mm, 0 mm (durchgehende Bohrung). Signalverstärkungen v = 0,5 in der unteren Zeile, sonst v = 1. Plattenmaterial Polypropylen, 10 mm dick.

Bild 3 zeigt die gemessenen Signaturen der FBHs in der 10 mm dicken PP-Platte, gemessen von der verdeckten Seite.

Die Einzelbilder in Bild 3 stellen die Signaturen der Defekte in der komplexen Ebene des Reflexionsfaktors dar, ganz ähnlich wie bei der Wirbelstromprüfung die Impedanz in der komplexen Ebene dargestellt wird. In den Einzelbildern von Bild 3 liegt der Ursprung r = 0 jeweils im Zentrum des Gitternetzes. Die Signaturen wurden aufgenommen, indem das Messobjekt mit einem Defekt unter dem Prüfkopf (Längsrichtung der Blende quer zur Bewegungsrichtung) entlang geführt wurde, und zwar von einer defektfreien Position bis zur nächsten defektfreien Position. Weil, wie im Abschnitt 2 beschrieben, die Abstimmeinrichtung im Prüfkopf so eingestellt wurde, dass r = 0 über einer defektfreien Position ist, beginnen und enden die Signaturen des Bildes 3 jeweils bei r ≃ 0. Leichte Verschiebungen aus dem Ursprung r = 0 sind durch Änderungen des Liftoffs bedingt. Beim Überfahren der Defekte entsteht eine Kurve, die unter einem bestimmten Winkel einen Punkt mit maximalem Abstand vom Ursprung erreicht. Ein Vergleich der in Bild 3 nebeneinander angeordneten Einzelbilder zeigt, dass der maximale Abstand ein Maß für die geometrische Ausdehnung des Defektes ist. Ein Vergleich der übereinander angeordneten Einzelbilder zeigt, dass die Winkellage dieses Punktes ein Maß für die Tiefenlage des Defektes bzw. die Restwandstärke über dem FBH ist.


Bild 4: Maximalauslenkung und Winkellage der Signaturen aus Bild 3, dargestellt in der komplexen Ebene des Reflexionsfaktors r. d - Bohrungsdurchmesser. t - Restwandstärke

In Bild 4 sind diese Ergebnisse zusammengefasst. Es sind zwar nur neun Defekte vermessen worden. Trotzdem lässt sich die Systematik deutlich erkennen, so dass die Abhängigkeiten durch ein Gitternetz ergänzt werden konnten. Bild 4 enthält damit Linien konstanten Bohrungsdurchmessers d und Linien konstanter Restwandstärke t. Diese Linien stehen sogar fast senkrecht aufeinander. Im Prinzip sind es Spiralen um den Ursprung bzw. Geraden durch den Ursprung. Unter Verwendung dieses Diagramms kann der Prüfer aus dem Messsignal erkennen, wie tief der Defekt liegt und wie groß seine geometrischen Abmessungen sind. Diesem Verfahren entspricht bei der Wirbelstromprüfung z.B. die Unterscheidung zwischen Rissen und magnetischen Einschlüssen [5].

4. Zusammenfassung und Ausblick

Es wurde gezeigt, wie ein handelsübliches Wirbelstromprüfsystem so erweitert werden kann, dass es für mikrowellengestützte Defektoskopie an Kunststoff- und Faserverbundbauteilen einsetzbar ist. Insbesondere wurde deutlich gemacht, dass die Defektsignaturen in der komplexen Ebene sich dabei ganz ähnlich verhalten wie bei der Wirbelstromprüfung an metallenen Messobjekten, so dass eine Interpretation der Mikrowellenprüfergebnisse einem erfahrenen Wirbelstromprüfer leicht fällt.

Die Systematik wurde hier anhand von Flachbodenbohrungen (FBHs) in einer Polypropylen-Platte gezeigt, und zwar an verschiedenen Bohrungsdurchmessern und Restwandstärken. Ähnlich systematische Signaturen sind zu erwarten für andere Abhängigkeiten, z.B. Liftoff-Änderungen, Metalleinschlüsse, usw. Zur quantitativen Auswertung werden, wie sonst auch in der ZfP, Kalibrierungen des Prüfverfahrens nötig sein.

Durch die Nutzung eines handelsüblichen Wirbelstromsystems können auch dessen Zusatzfunktionen bei der Mikrowellenprüfung genutzt werden: Verstärkungseinstellungen, Filterung, Anzeige von Grenzwertüberschreitungen, Flächenscans mit Falschfarbendarstellung von Betrag, Phase, Realteil oder Imaginärteil, statistische Auswertungen, usw.

Diese Arbeit war darauf ausgerichtet, ein neues Prüf- und Auswertungsprinzip darzustellen, das inzwischen zum Patent angemeldet ist [6]. Für die Ansprechempfindlichkeit mikrowellengestützter Prüfverfahren wird auf andere Arbeiten verwiesen, z.B. auf [2].

Die Autoren danken Christian Ziep für technische Unterstützung.

5. Literatur

    1. R. Zoughi: Microwave Non-Destructive Testing and Evaluation, A Graduate Textbook, Kluwer Academic Publishers, The Netherlands, 2000
    2. G. A. Green et al.: An Investigation into the Potential of Microwave NDE for Maritime Application, 16th World Conference of Non-Destructive Testing, Montreal, Canada, 30.08-03.09.2004
    3. D. Beilken and J. H. Hinken: Fibre Reinforced Plastic: A Feasibility Study of Microwave Based Non-Destructive Testing, Magdeburg, 2005, http://www.elektrotechnik.hs-magdeburg.de/Mitarbeiter/hinken/news/n15.html
    4. Ch. A. Harper: Handbook of Plastics and Elastomers, McGraw-Hill Book Company, 1975
    5. J.H. Hinken, G. Mook, W.-D. Feist, H. Wrobel, J. Simonin: Detektion und Charakterisierung ferromagnetischer Einschlüsse in nicht-ferromagnetischen Legierungen, DACH-Jahrestagung 2004, Salzburg, published on CD-ROM, P 26
    6. DE 10 2005 040 743.9 Verfahren und Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung, filed as a patent on 26 August 2005

© NDT.net |Top|