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Wirbelstromprüfung: 3D-Simulation einer Sonde mit unterschiedlichen Anregungsfrequenzen und Rissgrößen in EMS

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WEBINAR
Simulation of axial flux machines in EMS/SolidWorks
Thursday, December 2, 2021
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SESSION 1
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CET (GMT +1)
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EST (GMT -4)
09:00 AM
02:00 PM
Gebrauchte Werkzeuge:

Wirbelstromprüfung

Die Wirbelstromprüfung (ECT) ist eine zerstörungsfreie Prüfmethode (NDT), die auf der elektromagnetischen Induktion basiert. Die Hauptanwendung ist die Oberflächeninspektion, deren Ziel die Erkennung von Oberflächen- und Untergrundfehlern in der Probe ist.

Eine Einzelelement-ECT-Sonde hat eine Spule aus leitendem Draht, die von einer Wechselstromquelle angeregt wird. Diese Spule erzeugt im umgebenden Raum ein magnetisches Wechselfeld. Das Feld der Spule induziert Wirbelströme im nahegelegenen leitenden Material. Die Richtung des Wirbelstroms ist so, dass sein Feld dem von der Spule erzeugten Fluss entgegenwirkt. Materialfehler verursachen Schwankungen der elektrischen Leitfähigkeit und der magnetischen Permeabilität, die den Wirbelstrom und die von der Spule "wahrgenommene" Impedanz verändern.

Prinzip der Wirbelstromprüfung
Abbildung 1 - Prinzip der Wirbelstromprüfung

Problembeschreibung

Das Beispiel besteht aus einer Leiterplatte, die von einer Spule abgetastet wird. Der Riss auf der Platte wird durch eine Änderung der Impedanz der Spule erfasst. Unterschiedliche Rissgrößen und Anregungsfrequenzen helfen, das Verhalten der Spule in verschiedenen Szenarien zu untersuchen. Die Ergebnisse des EMS werden durch experimentelle Tests validiert.

Unten sehen Sie das 3D-Modell einer simulierten Sonde. Eine parametrische Wechselstrommagnetanalyse wird verwendet, um dieses Beispiel zu lösen. Die Impedanz der Spule wird für verschiedene Spulenpositionen mit einer Schrittweite von 2 mm gemessen.


CAD-Modell eines simulierten NDT-Beispiels
Abbildung 2 - CAD-Modell eines simulierten NDT-Beispiels

Abbildung 3 zeigt die geometrischen Parameter des Modells. Die Rissbreite und -tiefe beträgt 2 mm bzw. 1,3 mm. Es wurden zwei verschiedene Risslängen simuliert - 12 mm und 8 mm.


Geometrische Parameter des Modells
Abbildung 3 - Geometrische Parameter des Modells

Studie

Das EMS AC Magnetic-Modul von wird verwendet, um Ergebnisse wie magnetische Flussdichte, Wirbelstromdichte und Verlustdichte für eine sinusförmige Erregung zu berechnen. Andere von EMS angegebene Ergebnisse sind Gesamtwirbelstromverlust, Joule-Verlust, Impedanzmatrix usw. In diesem Beispiel liefert eine parametrische Analyse die Impedanz für jede Position der Spule.

Diese vier Schritte sollten befolgt werden, um eine magnetische Wechselstromsimulation inEMS durchzuführen:
  1. Erstellen Sie eine neue magnetische Wechselstromstudie
  2. Tragen Sie geeignete Materialien auf die Teile auf
  3. Legen Sie eine geeignete Spule (spannungs- oder stromgesteuert) mit der richtigen Erregung an.
  4. Vernetzen Sie die Simulation und führen Sie sie aus

Materialien

Sowohl die Spule als auch die Platte bestehen aus Kupfer. Nachfolgend sind die Eigenschaften des Kupfers und der Luft aufgeführt, die die Platte und die Spule umgibt.

Tabelle 1 - Kupfereigenschaften

Relative Durchlässigkeit Elektrische Leitfähigkeit S/m
Kupfer 1 58.100e + 6
Luft 1 0

Spule

Der Sensor ist hier die Spule. Tabelle 2 enthält die Spuleneigenschaften.

Tabelle 2 - Spuleneigenschaften

Anzahl der Züge Aktuelle Größe
Gewickelte Spule 170 20 mA

Gittergewebe

Mesh ist für jede FEM-Simulation von entscheidender Bedeutung. Die Ergebnisgenauigkeit und die Lösungszeit hängen stark von der Maschengröße ab. Nach der FEA-Theorie liefern Modelle mit feinerem Netz (kleine Elementgröße) sehr genaue Ergebnisse, benötigen jedoch längere Rechenzeiten. Auf der anderen Seite können Modelle mit grobem Netz (große Elementgröße) zu weniger genauen Ergebnissen, aber einer schnelleren Rechenzeit führen. Das Netz kann automatisch von EMS generiert werden, nachdem die globale Größe des Modells geschätzt wurde. Darüber hinaus bietet EMS mehr Flexibilität bei der Vernetzung, da die Maschengröße für feste Körper und Flächen durch die Option der Netzsteuerung gesteuert werden kann. In diesem Beispiel wird eine Maschensteuerung auf eine kleine Luft angewendet, die die Spule umgibt. Die Luft im Riss ist mit einer maximalen Elementabmessung von 0,1 mm ebenfalls feinmaschig. Abbildung 4 zeigt das endgültige Netz.

Vermaschtes Modell
Abbildung 4 - Meshed Model

EMS-Ergebnisse

Nachdem die parametrierte Simulation mit einer Risslänge von 12 mm, einem Abheben der Spule von 0,13 mm und einer Anregungsfrequenz von 50 kHz durchgeführt wurde, sind die Ergebnisse fertig. Eine parametrische Analyse in EMS ermöglicht dem Benutzer das Wechseln zwischen geometrischen oder Simulationsparametern (aktuell, Anzahl der Windungen, Frequenz, Maschengröße…). Die Ergebnisse aller Szenarien werden in einer einzigen Studie angegeben.

Abbildung 5 zeigt die Stromdichteverteilung im Modell ohne Riss. Die Wirbelströme sind in der Hauttiefe konzentriert. Abbildung 6 zeigt die Stromdichteverteilung, wenn sich die Spule genau über der Rissmitte befindet.

Stromdichteverteilung bei rissfreier Platte
Abbildung 5 - Stromdichteverteilung bei rissfreier Platte

Stromdichteverteilung bei Platte mit Riss
Abbildung 6 - Stromdichteverteilung bei Platte mit Riss

Die Spule (Sonde) tastet die Platte in Richtung der Risslänge ab. Symmetrie wird verwendet, um die Größe des Problems zu begrenzen, sodass nur die Hälfte der Spulenpositionen simuliert wird - beginnend am Risszentrum zu seinem Ende hin. Die Impedanz der Spule wird in jedem Schritt gemessen. Abbildung 7 zeigt, dass die Impedanz in der Mitte des Risses den Maximalwert erreicht. In Abbildung 8 ist ein Vergleich zwischen EMS und Testergebnissen dargestellt [1]. Die Simulationsergebnisse liegen sehr nahe an den Messungen.

Impedanzänderung des Spulensensors
Abbildung 7 - Impedanzänderung des Spulensensors

Vergleich zwischen EMS und experimentellen Ergebnissen für die Impedanzänderung (50 kHz und 12 mm Risslänge)
Abbildung 8 - Vergleich zwischen EMS und experimentellen Ergebnissen für die Impedanzänderung (50 kHz und 12 mm Risslänge)

9 zeigt die absolute Änderung der Impedanz von EMS und experimentellen Tests. Sie kann wie folgt berechnet werden:

Funktion
Vergleich zwischen EMS und experimentellen Ergebnissen für die absolute Impedanzvariation (50 kHz und 12 mm Risslänge)

Abbildung 9 - Vergleich zwischen EMS und experimentellen Ergebnissen für die absolute Impedanzvariation (50 kHz und 12 mm Risslänge)

Beziehung zwischen Rissabmessungen und erfasstem Signal

Die Rissgröße beeinflusst das Impedanzverhalten während des Sensorscans. Abbildung 10 zeigt einen Vergleich der Impedanzvariation für zwei verschiedene Risslängen. Die Änderung der Impedanz mit höherer Risslänge ist wichtiger und könnte einfacher erfasst werden.

Impedanzvariation für unterschiedliche Risslängen
Abbildung 10 - Impedanzvariation für verschiedene Risslängen

Die Ergebnisse der EMS-Simulation stimmen sehr gut mit den in Abbildung 11 gezeigten experimentellen Ergebnissen überein.

Absolute Impedanzänderung für 8 mm Risslänge
Abbildung 11 - Absolute Impedanzänderung für eine Risslänge von 8 mm

Zusammenhang zwischen Anregungsfrequenz und erfasstem Signal

Die Spule kann mit unterschiedlichen Frequenzen angeregt werden. EMS und experimentelle Ergebnisse in Abbildung 12 zeigen, dass die Risserkennung bei höheren Frequenzen einfacher ist. Tatsächlich lässt sich dieser Abzug durch die Beziehung zwischen Frequenz und Hauttiefe erklären. Die folgende Formel zeigt, welche Parameter von der Hauttiefe abhängen:

function2

Wobei f die Anregungssignalfrequenz ist, Sigma ist die Materialleitfähigkeit und mu ist die Materialdurchlässigkeit.

Die Hauttiefe ist umgekehrt proportional zur Frequenz. Eine höhere Frequenz ergibt also eine geringere Hauttiefe. Infolgedessen ist der erzeugte Wirbelstrom näher an der Plattenoberfläche und auch am Sensor. Durch diesen Wirbelstrom wird ein höherer magnetischer Fluss erzeugt, der die Sonde stärker beeinflusst. Auch hier stimmen die EMS-Berechnung und die gemessenen Daten sehr gut überein.

EMS und experimentelle Ergebnisse der absoluten Impedanzänderung bei verschiedenen Frequenzen
Abbildung 12 - EMS- und experimentelle Ergebnisse der absoluten Impedanzänderung bei verschiedenen Frequenzen

Zusammenhang zwischen Abhebedistanz und erfasstem Signal

Der Abstand zwischen dem Spulensensor und der Probenoberfläche ist entscheidend für die genaue Erkennung von Rissen. Wie in 13 gezeigt, ist die Variation der absoluten Impedanz stärker ausgeprägt, was zu einem geringeren Abheben führt.

EMS-Ergebnisse der Impedanzvariation für unterschiedliche Abhebedistanzen
Abbildung 13 - EMS-Ergebnisse der absoluten Impedanzänderung für unterschiedliche Abhebedistanzen

Fazit

EMS simuliert erfolgreich die Leistung einer Vielzahl von elektromagnetischen NDE-Systemen. Das vorgestellte Beispiel demonstrierte insbesondere die Möglichkeiten von EMS zur Charakterisierung eines Wirbelstromdetektors für die Oberflächeninspektion. Dabei werden alle wichtigen Merkmale des Sensors und des Prüflings auf einfache Weise berücksichtigt. EMS-Ergebnisse werden durch Vergleich mit experimentellen Daten bestätigt.

Verweise

[1]:Hamel Meziane.2012. Etude et réalisation d ‘un dispositive de détection de défaut par méthodes électromagnétiques.