Het meten met wervelstroom

Wervelstroommeting is een zeer veelzijdige elektrische meetmethode. In dit artikel wordt het basisprincipe van deze meettechniek besproken. Verder worden een aantal meetspoelvormen behandeld en worden een aantal toepassingsvoorbeelden gegeven.

Artikel gepubliceerd in Roestvast staal nummer 3 1993. Artikel 6

Elektrische testmethoden

Het basisprincipe dat ten grondslag ligt aan de elektrische testmethoden is dat elektrische wervelstromen en/of magnetische effecten in het materiaal worden opgewekt en waaruit door vaststelling van deze effecten gevolgtrekkingen kunnen worden gemaakt aangaande de aard en de toestand van het onderzochte materiaal. Deze technieken zijn buitengewoon veelzijdig en ze kunnen met de geschikte apparatuur en testmethode worden gebruikt voor het opsporen van fouten aan en onder het oppervlak van werkstukken, het bepalen van de dikte van deklagen, het verschaffen van gegevens over de structuur zoals korrelgrootte en warmtebehandelingstoestand en ook voor het meten van fysische eigenschappen waaronder elektrische geleidbaarheid en magnetiseerbaarheid. Als een spoel waardoorheen wisselstroom vloeit in de nabijheid van een geleidend metaal wordt geplaatst, dan worden in dat metaal wervelstromen opgewekt. Deze wervelstromen wekken op hun beurt een magnetisch veld op rondom de spoel en daarmee een verandering in de waarde van de impedantie van de spoel. Als een materiaal gelijkmatig is in samenstelling en afmetingen, dan zal de impedantie van een meetspoel die in de buurt van elke willekeurige plek van het oppervlak van dat materiaal wordt geplaatst hetzelfde zijn, met uitzondering van enige variaties die nabij de randen van het monster worden waargenomen. Als het materiaal een onderbreking bevat, dan wordt de verdeling van de wervelstromen en hun sterkte in de buurt daarvan veranderd en er zal een overeenkomstige afname optreden in het magnetisch veld dat samengaat met de wervelstromen, aldus een verandering tweegbrengend van de waarde van de spoelimpedantie.

Wervelstromen verlopen in gesloten lussen in het materiaal en zowel de sterkte als de fase van de stromen zullen afhangen van een aantal factoren. Deze factoren omvatten de sterkte van het magnetisch veld dat de meetspoel omringt, de elektrische en magnetische eigenschappen van het te onderzoeken materiaal en de aanwezigheid van oneffenheden of dimensieveranderingen in het materiaal. Er worden verscheidene meetspoeltypen gebruikt.
Twee veel voorkomende typen zijn de vlakke spoel die geschikt is voor het onderzoek van vlakke oppervlakken en de langwerpige spoel (solenoïde) die kan worden toegepast voor langwerpige, holle of massieve werkstukken. In geval van buisvormige produkten kan zo'n solenoïde rondom of binnenin de buis worden geplaatst.
De wervelstroompatronen die met dit type meetspoel worden verkregen is weergegeven op afbeelding 1.


Afb. 1 a) Langwerpig (solenoïde) spoeltype rondom staaf, die ringvormige wervelstromen opwekt.
b) Vlak spoeltype dat cirkelvormige wervelstromen opwekt in een vlakke plaat.


Als een werkstuk een scheur bevat of enig andere onvolkomenheid, dan zal het stroompatroon worden gewijzigd waardoor er een verandering optreedt in het magnetisch veld en daarmee in de meetspoelimpedantie. Een schematische weergave van het effect van een onvolkomenheid op het wervelstroompatroon is te zien op afbeelding 2. De spoelimpedantie kan worden bepaald door de spanning die er op staat te meten.
Bij wervelstroommeetapparatuur kunnen veranderingen in de spoelimpedantie worden afgelezen op een meter, op een schrijver of op het scherm van een oscilloscoop. Nabij randen van een werkstuk is het wervelstroompatroon vertekend, omdat de wervelstromen niet over deze begrenzing heen kunnen. De grootte van dit randeffect is gewoonlijk zeer aanzienlijk en inspectie dicht in de buurt van randen is derhalve een zinloze bezigheid. Het is in het algemeen aan te bevelen om als grens een afstand van 3 mm van de rand van een werkstuk aan te houden.


Afb. 2 Dwarsdoorsnede van een staf, die zich in een solenoide spoeltype bevindt met daarin het wervelstroompatroon getekend:
a) foutvrij gedeelte - uniforme werv.elstromen.
b) wervelstroompatroon vervormd door aanwezigheid van een defect.


Wervelstromen komen niet uniform in het te inspecteren werkstuk voor. Ze zijn het dichtst aan het werkstukoppervlak, direct onder de meetspoel en hun dichtheid neemt in toenemende mate af met toenemende afstand van het oppervlak. Op enige afstand onder het oppervlak van grote werkstukken is de aanwezige wervelstroom verwaarloosbaar klein. Dit verschijnsel wordt gewoonlijk aangeduid als huideffect (skin effect). Als de dikte van een werkstuk klein is, zal het verdelingspatroon van de wervelstroom worden vertekend en de mate van deze vertekening zal variëren met de dikte van het materiaal. Dit effect is schematisch wergegeven op afbeelding 3.


Afb. 3 Schematische voorstelling van de vervorming van de wervelstroomverdeling in dunwandige stukken.


Hieruit volgt dus dat in geval van dunwandig materiaal een dikteverandering de impedantie van de meetspoel zal doen veranderen. Een wervelstroomsysteem, indien geijkt aan bekende standaarden, kan dan ook met succes worden toegepast voor het nauwkeurig meten van de dikte van dunwandig materiaal. Diktemetingen kunnen ook worden uitgevoerd met ultrasone technieken, maar de nauwkeurigheid hiervan neemt af als het te meten materiaal dun is. Het omgekeerde is het geval met wervelstroomtechnieken bij het meten van de dikte van dikker materiaal. Dan neemt de nauwkeurigheid van de wervelstroommeting juist af. Dus zijn beide meettechnieken in deze elkaars complement.

Meetfrequentie en spoeltypen

De gebruikte meetfrequentie liggen tussen20Hz en 10 MHz. Metingen aan niet-magnetisch materiaal, zoals austenitisch roestvast staal, worden uitgevoerd met frequenties variërend van 1 kHz tot 10 MHz, terwijl frequenties lager dan 1 kHz dikwijls worden gebruikt voor magnetisch materiaal. De feitelijke toe te passen frequentie bij een bepaalde meting is gewoonlijk een copromis om te komen tot optimale gevoeligheid bij de gewenste indringingsdiepte. In geval van niet-magnetisch materiaal is de keuze betrekkelijk eenvoudig als het alleen gaat om het opsporen van oppervlaktefouten. Er worden dan zo hoog mogelijke frequenties gebruikt (verscheidene MHz). Detectie van fouten onder het oppervlak op een aanzienlijke diepte vergen lage frequenties hetgeen ten koste gaat van meetgevoeligheid. Metingen aan ferromagnetisch materiaal eisen zeer lage frequenties vanwege de betrekkelijk geringe indringdiepten bij deze materiaalcategorie. Hogere frequenties zijn alleen toepasbaar voor het meten van de oppervlaktegesteldheid. Maar zelfs de hogere frequenties die voor deze toepassingen worden gebruikt zijn nog aanzienlijk lager dan die welke worden gebruikt voor gelijksoortige metingen aan niet-magnetisch materiaal.

Er bestaan verschillende meetspoelopstellingen die kunnen worden gebruikt bij wervelstroommeting en enkele gangbare typen zijn weergegeven op afbeelding 4. Voor routinemetingen aan cilindrische staf en buis kan een enkele solenoïde worden gebruikt. Het proefstuk passeert door de spoel (afbeelding 4a). Variaties in de spoelimpedanties die optreden als het proefstuk door de spoel beweegt geven de aanwezigheid aan van onvolkomenheden. Als het niet mogelijk is om een spoel rondom een buis te plaatsen zoals bijvoorbeeld tijdens een meting te velde van warmtewisselaar- of condensorpijpen, dan kan de spoel op een klos worden gewonden en in de pijp worden geschoven. Voor metingen aan pijpen wordt dikwijls een dubbel meetspoelsysteem toegepast (afbeelding 4b). De twee meetspoelen zijn identiek en zijn verbonden aan de uiteinden van een elektrische meetbrug. Als de pijp uniform is, bevindt de meetbrug zich in evenwicht, maar als een spoel in de buurt komt van een scheur of een plek waar corrosie heeft geleid tot afname van de wanddikte, dan zal de meetbrug uit evenwicht raken.Het differentiaalmeetspoelsysteem (afbeelding 4c) wordt soms in plaats van het dubbelspoelsysteem gebruikt bij metingen aan pijp en staf. Als "het materiaal uniform is staat er over AB een spanning van oV, maar als er zich in punt X een of andere fout aanwezig is, dan staat er over AB wel een spanning. Een van de meest toegepaste opstellingen is de oppervlaktespoel (afbeelding 4d) waarbij een spoel op een ferrietkern is gewikkeld. De spoel wordt loodrecht gehouden ten opzichte van het te meten materiaaloppervlak. De ferrietkern concentreert de magnetische krachtlijnen en verhoogt de gevoeligheid voor het opsporen van kleine onvolkomenheden.


Afb. 4 Spoelopstellingen:
a) enkele meetspoel om staaf.
b) dubbele meetspoel op klos in buis.
c) differentiaalspoelsysteem.
d) oppervlaktespoel met ferrietkern.
 

Voordelen, beperkingen, toepassingen

Het elektrische wervelstroommeetsysteem is buitengewoon veelzijdig en kan niet alleen worden toegepast voor het opsporen van scheuren maar ook van verscheidene andere zaken waaronder corrosie. De meetapparatuur kan klein en draagbaar zijn en kan, door een geschikte keuze van meetsonde, in velerlei situaties worden toegepast. Juiste interpretatie van de meetsignalen, en dat kan niet genoeg worden benadrukt, vergt aanzienlijke bekwaamheid en ervaring van de kant van de operator. Wervelstroommeetapparatuur die wordt gebruikt voor kwaliteitscontrolemetingen van talrijke produkten is dikwijls volledig automatisch en zeer geavanceerd. Op deze wijze wordt door veel fabrikanten de produktie bewaakt van buis, staf en draad. Het toepassingsgebied waarbinnen wervelstroomonderzoek met succes kan worden toegepast kent nauwelijks grenzen. Enkele kenmerkende toepassingen zijn het routinematig inspecteren van onderdelen van vliegtuigen waaronder wielen van landingsgestellen, routinemetingen aan spoorrails, nauwkeurige diktemetingen waaronder wanddikteafname door corrosie en de meting van laagdikten van deklagen op metalen. Het vermogen om de geleidbaarheid van metalen te meten met behulp van faseanalyse (waarop in dit artikel overigens niet is ingegaan) wordt voor verschillende doeleinden toegepast, waaronder identificatie en scheiding van materialen en het opsporen van door oververhitting beschadigde huiddelen van vliegtuigen. Oververhitte gebieden die een aanzienlijk sterkteverlies kunnen vertonen, geven een toename van de waarde van hun elektrische geleidbaarheid te zien.