DE102011104296A1 - Abgeschirmte Wirbelstromspulen und Verfahren zum Ausbilden derselben auf Leiterplatten - Google Patents

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Abstract

Eine abgeschirmte Wirbelstromspulensonde ist auf einer Leiterplatte vorgesehen, wobei die Wirbelstromsonde einen ersten Spulenbestandteil, der eine Prüfspule bildet, und einen zweiten Spulenbestandteil, der eine aktive Abschirmspule bildet, umfasst. Die Prüfspule und die aktive Abschirmspule sind konzentrisch angeordnet und die Anzahl der Wicklungen in der aktiven Abschirmspule und ihre Feldrichtung sind dafür eingerichtet, das induzierte Feld oder das erfasste Feld im Prüfgegenstand auf die der Prüfspule entsprechenden Fläche auf dem Prüfgegenstand zu begrenzen. Auf derselben oder unterschiedlichen Schichten der Leiterplatte können mehrere Gruppen von Prüfspulen mit aktiven Abschirmspulen vorgesehen sein, um unterschiedliche Erreger-, Empfänger- und kombinierte Erreger-/Empfängerspulenkonfigurationen herzustellen.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft zerstörungsfreie Prüfsysteme (ZfP) von Gegenständen (non-destructive object testing and inspection systems (NDT/NDI)) unter Verwendung der Wirbelstromprüfung (WSP) und insbesondere Wirbelstrom(WS-)sonden, die auf Leiterplatten geätzt und abgeschirmt sind, um die erzeugten Felder auf die Prüfstelle zu konzentrieren.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Die Wirbelstromprüfung wird häufig bei ZfP-Anwendungen eingesetzt, um Fehler an Oberflächen industriell hergestellter Bauteile nachzuweisen, die aus leitfähigen Werkstoffen hergestellt sind, beispielsweise Stahlstäbe, -rohre und -röhren. Die Wirbelstromprüfung wird häufig zur Prüfung von Bauteilen für die Automobil-, Luftfahrt- und Energiebranche verwendet. Im Laufe der Jahre sind WSP-Sensoren mit unterschiedlichen Konfigurationen und Mustern entwickelt worden, um sie an unterschiedliche Anwendungen anzupassen.
  • Es sind bisher verschiedene WSP-Systeme zum Nachweis von Rissen und/oder anderen Fehlern an einem Prüfstück bereitgestellt worden. Im Allgemeinen weisen diese Systeme felderzeugende Mittel wie eine Spule auf, die mit einer Wechselstromquelle verbunden ist, um in einem Prüfling Wirbelströme zu erzeugen, und ein Sensormittel zum Erfassen des Felds, das von den Wirbelströmen erzeugt wird. Das Sensormittel kann eine separate Spule, eine Hall-Sonde oder eine beliebige andere, auf das Feld reagierende Einrichtung sein oder es kann auch die Spule der felderzeugenden Mittel zum Erfassen des WS-induzierten Felds verwendet werden, indem ihre tatsächliche Impedanz gemessen wird.
  • Eine der Schwierigkeiten bei der Durchführung einer WS-Prüfung besteht darin, im interessierenden Bereich im Material eine ausreichende Stärke des Wirbelstromfelds zu erreichen. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, das Feld von nicht relevanten Elementen des Prüfbauteils fernzuhalten. Die Impedanzänderung, die von nicht relevanten Elementen verursacht wird, kann die Auswertung des Signals erschweren. Zur Eingrenzung der Ausbreitung und zur Konzentration des Magnetfelds der Spule wird die Sonde gelegentlich abgeschirmt und mit einem Ferritkern versehen. Wenn das Magnetfeld nahe der Spule konzentriert ist, sind selbstverständlich auch die Wirbelströme in diesem Bereich konzentriert.
  • Wirbelstromsonden werden meist unter Verwendung einer magnetischen Abschirmung oder einer Wirbelstromabschirmung abgeschirmt. Bei magnetisch abgeschirmten Sonden ist die Spule von einem Ring aus Ferrit oder einem anderen Material mit einer hohen Permeabilität und einer geringen Leitfähigkeit umschlossen. Der Ferrit erzeugt einen Bereich mit einem niedrigen magnetischen Widerstand und das Magnetfeld der Sonde konzentriert sich in diesem Bereich, anstatt sich über die Abschirmung hinaus auszubreiten. Damit wird das Magnetfeld auf einen engeren Bereich um die Spule herum konzentriert.
  • Bei der Wirbelstromabschirmung wird ein Ring aus einem sehr leitfähigen, aber unmagnetischen Werkstoff gewöhnlich Kupfer, verwendet, der die Spule umschließt. Der Bereich des Magnetfelds der Spule, der durch die Abschirmung verläuft, erzeugt Wirbelströme im Abschirmungsmaterial anstatt in den nicht relevanten Elementen außerhalb des abgeschirmten Bereichs. Je höher die Frequenz des Stroms, der zum Erregen der Sonde verwendet wird, umso wirkungsvoller ist die Abschirmung aufgrund des Skin-Effekts im Abschirmungsmaterial.
  • Die zuvor erwähnten Abschirmverfahren sind zwar geeignete Lösungen für herkömmliche Wirbelstromspulen, eignen sich jedoch nicht für Spulen, die auf Leiterplatten vorgesehen sind. In diesem Fall lässt sich eine magnetische Abschirmung nicht mit den Herstellungsverfahren in Einklang bringen. Bei der leitfähigen Abschirmung wäre ihre Wirksamkeit eng mit einer Prüffrequenz verbunden, da Kupferschichten auf Leiterplatten üblicherweise sehr dünn sind (bei einer flexiblen Leiterplatte mit fein geätzten Bahnen im Allgemeinen ungefähr 18 Mikrometer stark). Wird die Eindringtiefe der Wirbelströme bedacht, würde eine derart dünne Abschirmung die Verwendung der Sonde auf sehr hohe Frequenzen, beispielsweise 10 MHz und darüber, beschränken.
  • Eine weitere Einschränkung herkömmlicher Abschirmungen ist, dass abgeschirmte Spulen sich nicht an derselben physikalischen Stelle überlappen können, wodurch die verfügbaren Spulenkonfigurationen eingeschränkt sind. Selbst wenn die herkömmlichen Abschirmungen sehr dünn hergestellt werden würden, wäre es nicht möglich, sie erfolgreich zu stapeln, da sich die Abschirmung einer ersten Spule und eine zweite überlappte abgeschirmte Spule derart gegenseitig beeinflussen würden, dass keine dieser Spulen richtig funktioniert.
  • Eine weitere Einschränkung herkömmlicher Abschirmungen ist, dass sie bei Gleichstrom oder sehr niedrigen Frequenzen, wie sie für das Fernfeld(FF-)-Verfahren oder das magnetische Streuflussverfahren (MSF) erforderlich sind, nicht richtig funktionieren.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Eingrenzung der Ausbreitung des Magnetfelds, das von einer Wirbelstromspule erzeugt wird, die auf eine Leiterplatte geätzt ist, bereitzustellen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Abschirmung über einen großen Frequenzbereich zu gewährleisten.
  • Es ist ebenfalls eine Aufgabe der Erfindung, diese Lösung vollständig in die Leiterplatte selbst zu integrieren, um die Kosten und Flexibilität der Sonde nicht zu beeinträchtigen.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, dass diese Lösung für mehrere Wirbelstromspulenkonfigurationen geeignet ist, beispielsweise die Absolut- und die Sende-Empfangs-Konfiguration.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, dass sich diese Lösung für das Abschirmen der Außenseite und/oder Innenseite der Spule, auf der diese Lösung angewendet wird, eignet.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, dass mit dieser Lösung mehrere Schichten abgeschirmter Spulen über derselben physikalischen Stelle überlappend angeordnet werden können.
  • Die vorangehenden und weitere Aufgaben der Erfindung werden mit Leiterplatten-Ausführungen von WS-Sonden umgesetzt, die die Wechselwirkungen einer Wirbelstromprüf(WSP)-Spule innerhalb und/oder außerhalb des Spulenradius begrenzen, ohne dass ein ferromagnetisches Material oder dicke leitfähige Materialschichten verwendet werden. Mit der Erfindung können Spulen, die auf eine Leiterplatte geätzt sind, abgeschirmt und über einen großen Frequenzbereich betrieben werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden diese Aufgaben gelöst, indem eine zusätzliche aktive Abschirmspule bereitgestellt wird, wobei die Prüfspule einer WS-Sonde auf einer Leiterplatte vorgesehen ist. Die Stärke des Felds, das von der aktiven Abschirmspule erzeugt wird, ist so eingestellt, dass das Feld/die Felder, das bzw. die von der Prüfspule erzeugt wird bzw. werden, an einer Feldneutralisierungslinie, die sich außerhalb des gewünschten Erfassungsbereichs der Prüfspule(n) befindet, neutralisiert wird bzw. werden. Die Feldneutralisierung wird erreicht, indem ein Strom mit derselben Frequenz wie der Prüfspulstrom, jedoch entgegengesetzter Phase eingespeist wird. Dies kann erreicht werden, indem eine einzelne Spule vorgesehen wird, mit einer ersten Wicklung, die die Prüfspule bildet, und einer weiteren Wicklung, die in Reihe geschaltet ist, deren Richtung jedoch über den Rest der Wicklung umgekehrt ist, wodurch die Spule mit umgekehrter Richtung das Neutralisierungsfeld erzeugt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Wirbelstromsonde eine Leiterplatte mit einem ersten Spulenbestandteil und zweiten Spulenbestandteil, die darauf vorgesehen sind. Der erste Spulenbestandteil ist eine Prüfspule, die auf der Leiterplatte vorgesehen ist, und der zweite Spulenbestandteil ist eine aktive Abschirmspule, wobei die Prüfspule und die aktive Abschirmspule konzentrisch angeordnet sind. Die aktive Abschirmspule wird mit einem Erregersignal erregt, das so eingestellt ist, dass das Feld beschränkt wird, das in einem Prüfgegenstand induziert wird, an dem die Wirbelstromsonde platziert ist, und/oder dass die Erfassung von Wirbelstromfeldern im Prüfgegenstand auf einen Bereich beschränkt wird, der im Wesentlichen genauso groß wie ein Bereich ist, über den sich die Prüfspule auf dem Prüfgegenstand erstreckt. Die Prüfspule und die aktive Abschirmspule sind vorzugsweise in Reihe zueinander geschaltet, jedoch ist die aktive Abschirmspule in eine entgegengesetzte Richtung zu der der Prüfspulwicklung gewickelt. Die Wirbelstromsonde kann als Erregerspule und/oder Empfängerspule betrieben werden. Auf der Leiterplatte können mehrere Gruppen von Spulen in verschiedenen sich überlappenden und konzentrisch angeordneten oder seitlich versetzten Konfigurationen vorgesehen werden, um einzelne Sonden oder eine Gruppe von Sonden zu bilden.
  • Weitere Merkmale können durch Kombinieren der Vorteile von abgeschirmten Wirbelstromspulen und von Herstellungsverfahren für flexible Leiterplatten erreicht werden. Diese Vorteile umfassen ein voll automatisiertes, kostengünstiges, reproduzierbares Verfahren, mechanische Flexibilität und die Möglichkeit, sehr dünne Sonden bereitzustellen, mit denen Prüfungen in engen Bereichen möglich sind. Die Erfindung erleichtert weiterhin das Bereitstellen einer Abschirmung über einen großen Frequenzbereich, von Gleichstrom bis mindestens 25 MHz. Zuletzt stellt die Möglichkeit des Hinzufügens mehrerer Schichten unabhängig abgeschirmter Spulen über derselben physikalischen Stelle, während diese sich überlappenden Spulen Teil derselben Baugruppe (d. h. Sende- und Empfangsspulen) oder Teil unterschiedlicher Sensorbaugruppen der Wirbelstromsonde sein können, einen weiteren Vorteil der Erfindung dar.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich, die Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen nimmt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A zeigt eine isometrische Darstellung einer 18 μm starken Spule nach dem Stand der Technik mit einem Außendurchmesser von 2 mm über einem leitfähigen Bauteil.
  • 1B zeigt eine isometrische Darstellung einer 18 μm starken Spule nach dem Stand der Technik mit einem Außendurchmesser von 2 mm, die von einer 0,5 mm starken Wirbelstromabschirmung umgeben ist, über einem leitfähigen Bauteil.
  • 2A zeigt die Magnetfeldlinien, die von der Spule von 1A bei einer Prüffrequenz von 5 kHz erzeugt werden.
  • 2B zeigt die Magnetfeldlinien, die von der Spule von 1B bei einer Prüffrequenz von 5 kHz erzeugt werden.
  • 3A zeigt eine isometrische Darstellung einer 18 μm starken Spule mit einem Außendurchmesser von 2 mm, die von einer 0,5 mm starken aktiven Abschirmung umgeben und unter Verwendung der Lehre der Erfindung hergestellt ist, über einem leitfähigen Bauteil.
  • 3B zeigt die Magnetfeldlinien, die von der Spule von 3A bei einer Prüffrequenz von 5 kHz erzeugt werden.
  • 4A zeigt eine spiralförmige Spulenstruktur, die unter Verwendung der Lehre der Erfindung hergestellt ist.
  • 4B zeigt eine rechteckige Spulenstruktur, die unter Verwendung der Lehre der Erfindung hergestellt ist.
  • 5A zeigt die mögliche Verwendung der Erfindung in der Sende-Empfangs-Konfiguration.
  • 5B zeigt die mögliche Verwendung der Erfindung auf einer mehrlagigen Struktur, bei der sich mehrere Spulen über derselben physikalischen Stelle überlappen.
  • 6A zeigt eine alternative Konfiguration auf der Grundlage der Lehre dieser Erfindung, die für eine innere Abschirmung sorgt.
  • 6B zeigt die kombinierte Verwendung einer inneren und äußeren Abschirmung zum Aufbau einer Spule mit Prüfergebnissen, die denen der Spulenstruktur entsprechen, die in der US-Patentschrift 5,617,024 beschrieben ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Mit Bezug auf 1A, 1B, 2A und 2B wird zur Durchführung einer WS-Prüfung eine dünne Prüfspule 1 nahe an einem elektrisch leitfähigen Bauteil 2 platziert, das den Prüfgegenstand darstellt. Die hier abgebildete Prüfspule 1 ist 18 μm stark, was der Dicke entspricht, die bei Spulen erreicht werden kann, die auf flexible Leiterplatten geätzt werden. In der Prüfspule 1 fließt ein Wechselstrom 9 und erzeugt ein magnetisches Wechselfeld mit derselben Frequenz. In dem leitfähigen Prüfbauteil 2, das sich unter der Prüfspule 1 befindet, werden dann Wirbelströme induziert, die diesem Magnetfeld entgegengesetzt sind.
  • 2A veranschaulicht die Verteilung 5 der Magnetfeldlinien bei der nicht abgeschirmten Prüfspule 1, die in 1A dargestellt ist, unter Verwendung einer Prüffrequenz von 5 kHz. Wie in 2A dargestellt ist, verteilt sich das Magnetfeld in dem Prüfbauteil 2 über eine beträchtliche Breite (Bereich) und induziert somit Wirbelströme in einem viel größeren Bereich als der der Prüfspule 1 entsprechenden Fläche.
  • Um die Prüfspule 1 in der Nähe von wichtigen geometrischen Merkmalen wie Kanten des Teils oder Verbindungselementen zu verwenden, ist es wünschenswert, die Ausbreitung des Magnetfelds auf die der Prüfspule 1 entsprechenden Fläche zu beschränken. Ein Mittel nach dem Stand der Technik, um dies zu erreichen, ist die Verwendung eines leitfähigen Rings 3, der konzentrisch zur Prüfspule 1 ist. Auch wenn sich dieses Verfahren bei relativ dicken Prüfspulen als wirksam erwiesen hat, ist in 2B zu erkennen, dass bei einem dünnen leitfähigen Ring 3 wie denen, die auf eine Leiterplatte geätzt sind, die Verteilung 6 der Magnetfeldlinien innerhalb des Prüflings immer noch über einen größeren Bereich als der der Prüfspule 1 entsprechenden Fläche erfolgt.
  • Das vorgeschlagene Mittel zur Bereitstellung einer wirksamen Abschirmung für eine sehr dünne Spule ist in 3A dargestellt. Unter Verwendung einer aktiven Abschirmspule 34, die konzentrisch zur Prüfspule 31 ist, soll aktiv ein Magnetfeld erzeugt werden. Die Stärke des Felds, das von der aktiven Abschirmspule 34 erzeugt wird, ist so eingestellt, dass das Feld, das von der Prüfspule 31 erzeugt wird, in einem Feldneutralisierungsbereich 38 (3B), der sich außerhalb des gewünschten Erfassungsbereichs der Prüfspule befindet, neutralisiert wird. Die Feldneutralisierung wird erreicht, indem ein Strom 30 mit derselben Frequenz wie der Prüfspulstrom 39, jedoch entgegengesetzter Phase eingespeist wird. 3B veranschaulicht die Magnetfeldlinien, die von einer kreisförmigen Prüfspule 31 und einer korrekt eingestellten Abschirmspule 34 erzeugt werden.
  • Es ist bekannt, dass die Stärke eines Magnetfelds, das von einer Spule erzeugt wird, proportional zu N·I ist, das heißt Anzahl der Windungen (N) mal Strom (I). Die gewünschte Feldstärke für die aktive Abschirmspule 34 kann somit entweder durch Anpassen des Stroms I oder durch Anpassen der Anzahl der Windungen N in der aktiven Abschirmspule 34 erreicht werden. Interessant ist ebenfalls, dass das Verhältnis [N(31)·I(31)]/[N(34)·I(34)] (wobei ”31” und ”34” die Spule 31 beziehungsweise die Spule 34 bezeichnet), das erforderlich ist, damit an der Neutralisierungsstelle 38 die Abschirmung erfolgt, unabhängig von der Prüffrequenz ist, sofern das elektromagnetische Feld, das von dem geprüften Teil reflektiert wird, im Vergleich zum Primärfeld klein ist. Deshalb kann, sobald ein festes Verhältnis [N(31)·I(31)]/[N(34)·I(34)] ermittelt ist, die aktiv abgeschirmte Spule effektiv über einen großen Frequenzbereich eingesetzt werden.
  • Spulen, die auf Leiterplatten hergestellt werden, sind üblicherweise spiralförmig. So kann durch die Bereitstellung einer in Uhrzeigerrichtung gewickelten spiralförmigen Prüfspule 11 und einer entgegen der Uhrzeigerrichtung gewickelten spiralförmigen aktiven Abschirmung 12, die in Reihe geschaltet sind, wie in 4A dargestellt ist, eine aktiv abgeschirmte Spulenanordnung 15 erhalten werden, in die beide Bauteile vollständig integriert sind. Bei der Prüfspule 11 mit einem AD (Außendurchmesser) von 2 mm beträgt das optimale Verhältnis zwischen der Prüfspule 11 und der aktiven Abschirmspule 12 ungefähr 10/3. Optimale Windungsverhältnisse können unter Verwendung marktüblicher Magnetfeld-Simulationssoftware genau berechnet werden. Die Spule 15 ist unter Verwendung von Kontakten 13 und 14 oder durch Anlöten von Drähten an die Kontakte 13 und 14 durch die Leiterplattenanordnung durchkontaktiert.
  • Obwohl in den Zeichnungen die Prüfspule 11 und die aktive Abschirmspule 12 so dargestellt sind, dass sie in Reihe geschaltet sind, wobei die aktive Abschirmspule 12 entgegengesetzt zur Prüfspule gewickelt ist, können die Spulen gemäß einer weiteren Ausführungsform in dieselbe Richtung gewickelt sein. Bei dieser Ausführungsform würde die aktive Abschirmspule einfach elektronisch mit einem Erregersignal versorgt werden, das 180° phasenverschoben zum Erregersignal für die Prüfspule ist. Mit dieser Anordnung kann auch die Stärke des Erregersignals für die aktive Abschirmspule während eines Kalibriervorgangs eingestellt werden, um die Wirkung zu optimieren.
  • Unter Verwendung derselben Prinzipien können verschiedene Spulenformen hergestellt werden. Eine aktiv abgeschirmte rechteckig geformte Spule 20, die in 4B dargestellt ist, weist eine Prüfspule 16 und eine aktive Abschirmung 17 auf. Die Spulenanordnung 20 ist in diesem Fall interessant, da anders als bei der Spule 15 der Abstand zwischen der Prüfspule und der Abschirmspule beinahe konstant ist, was für einheitlichere Prüfergebnisse sorgt.
  • Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung ist die Verwendung aktiv abgeschirmter Spulenspiralen wie 15 und 20 als Empfängerspulen. In diesem Fall ist es die Aufgabe des Abschirmens, unempfindlich gegenüber Wirbelströmen zu werden, die außerhalb der der Spule entsprechenden Fläche fließen. Das elektromagnetische Lorentz-Prinzip der Reziprozität besagt, dass das Verhältnis zwischen einem Schwingstrom und dem entstehenden elektrischen Feld unverändert ist, wenn die Stellen, an denen der Strom angelegt wird und an denen das Feld gemessen wird, vertauscht werden. Für die Erfindung bedeutet dies, dass wenn eine Spulenkonfiguration von 5A für eine angemessene Abschirmung einer Erregerspule 21 sorgt, sie auch für eine angemessene Abschirmung bei der Verwendung als Empfänger 22 sorgt. 5A veranschaulicht eine abgeschirmte Sende-Empfangs-Spulenkonfiguration unter Verwendung der Lehre der Erfindung.
  • Ein weiterer interessanter Aspekt der aktiv abgeschirmten Spulenspiralen ist, dass Magnetfelder ohne Störung durch sie hindurchgehen können. Mit diesem einzigartigen Merkmal können mehrere aktiv abgeschirmte Spulen übereinander angeordnet werden, wie in 5B veranschaulicht ist. Bei diesem Beispiel ist eine aktiv abgeschirmte Erregerspule 23 auf eine erste Leiterplattenschicht geätzt, während eine aktiv abgeschirmte Empfängerspule 24 auf eine zweite Leiterplattenschicht geätzt ist. So entsteht an der Schnittstelle beider Spulen eine hochempfindliche Zone 25, da sich beide Spulen nur in diesem Bereich unmittelbar gegenseitig beeinflussen. Aufgrund dieses Merkmals können auch mehrere sich überlappende aktiv abgeschirmte Spulen als Teil einer Wirbelstrom-Gruppensonde verwendet werden.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst die Verwendung der aktiven Abschirmung zum Abschirmen innerhalb der Prüfspule, wie in 6A veranschaulicht ist. In diesem Fall befindet sich eine aktive Abschirmspule 27 konzentrisch innerhalb einer Prüfspule 26, um eine innen abgeschirmte Spulenanordnung 28 bereitzustellen. Die Anzahl der Windungen der aktiven Abschirmspule ist so festgelegt, dass das entstehende Magnetfeld an der Feldneutralisierungsstelle 29 neutralisiert wird. Ein Beispiel für die Verwendung einer solchen Konfiguration ist in 6B abgebildet. In diesem Fall sind die innen abgeschirmte Erregerspulenanordnung und die außen abgeschirmte Spulenanordnung 15 dafür eingerichtet, den Sensor nachzubilden, der in der US-Patentschrift 5,617,024 beschrieben ist, deren Lehre durch Bezugnahme hier aufgenommen ist.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, wird mit der vorliegenden Erfindung Folgendes erreicht:
    • • Aktive Abschirmung für Wirbelstromprüfspulen und/oder Erregerspulen durch die Verwendung einer Gruppe konzentrischer Spulen zur Beschränkung der Ausbreitung des Magnetfelds unter einer Wirbelstromprüfspule, wobei die Prüfspule für Folgendes geeignet ist: • eine beliebige Prüffrequenz zwischen Gleichstrom und 25 MHz; • Spulen, die auf Leiterplatten geätzt sind; • verschiedene Spulenformen wie rund, rechteckig usw.; und • äußere oder innere Abschirmung.
    • • Aktive Abschirmung für Wirbelstrom-Empfängerspulen durch die Verwendung einer Gruppe konzentrischer Spulen zur Beschränkung des Erfassungsbereichs der Empfängerspule, die für Wirbelstromprüfungen verwendet werden soll,
    • • Sondenkonfigurationen, bei denen sich mehrere aktiv abgeschirmte Spulen über derselben physikalischen Stelle ohne gegenseitige Wechselwirkung überlappen können, womit Spulen für den Fall bereitgestellt werden können, dass eine Sende-Empfangs-Konfiguration mit einer Zone mit hoher Empfindlichkeit benötigt wird und/oder für den Fall einer Gruppensonde mit Kanälen, die sich auf mehreren Leiterplattenschichten überlappen.
    • • Verwendung für andere elektromagnetische Verfahren wie das Fernfeldverfahren und das magnetische Streuflussverfahren, bei denen ihre Funktionsfähigkeit bei niedrigen Frequenzen ausgenutzt wird.
  • Die vorliegende Erfindung ist zwar in Bezug auf konkrete Ausführungsbeispiele derselben beschrieben worden, jedoch sind für einen Fachmann viele andere Varianten und Abwandlungen und andere Anwendungen ersichtlich. Es wird daher bevorzugt, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die vorliegende konkrete Offenbarung, sondern nur durch die zugehörigen Ansprüche eingeschränkt wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5617024 [0032, 0043]

Claims (20)

  1. Wirbelstromsonde, umfassend: eine Leiterplatte und einen ersten Spulenbestandteil, der eine Prüfspule umfasst, die auf der Leiterplatte vorgesehen ist, und einen zweiten Spulenbestandteil, der eine aktive Abschirmspule umfasst, die auf der Leiterplatte vorgesehen ist, wobei die Prüfspule und die aktive Abschirmspule konzentrisch angeordnet sind und wobei die Spulenwindungen in der aktiven Abschirmspule so eingestellt sind, dass ein Feld beschränkt wird, das in einem Prüfgegenstand induziert wird, an dem die Wirbelstromsonde platziert ist, oder dass die Erfassung von Wirbelstromfeldern im Prüfgegenstand auf einen Bereich beschränkt wird, der im Wesentlichen genauso groß wie ein Bereich ist, über den sich die Prüfspule auf dem Prüfgegenstand erstreckt.
  2. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, wobei die Prüfspule und die Abschirmspule aus einer einzelnen Windung aufgebaut sind und wobei der Wicklungssinn der Abschirmspule dem Wicklungssinn der Prüfspule entgegengesetzt ist.
  3. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, wobei der erste Spulenbestandteil dafür eingerichtet ist, als Erregerspule zu arbeiten, die Wirbelströme im Prüfgegenstand induziert.
  4. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, wobei der erste Spulenbestandteil dafür eingerichtet ist, als Wirbelstrom-Empfängerspule zu arbeiten, die dafür bestimmt ist, Wirbelströme, die im Prüfgegenstand fließen, zu erfassen.
  5. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, die eine erste Spulengruppe aufweist, die die Prüfspule und die Abschirmspule umfasst, und ferner eine zweite Spulengruppe aufweist, die eine zusätzliche Prüfspule und eine zusätzliche Abschirmspule umfasst, die sich in einer anderen Schicht der Leiterplatte befinden, und wobei sich die erste Spulengruppe und die zweite Spulengruppe in einem bestimmten Bereich überlappen.
  6. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, wobei die Abschirmspule die Prüfspule umgibt.
  7. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, wobei sich die Abschirmspule innerhalb der Prüfspule befindet.
  8. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, wobei die Prüfspule und die Abschirmspule eine im Allgemeinen kreisförmige Konfiguration aufweisen.
  9. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, wobei die Prüfspule und die Abschirmspule eine im Allgemeinen rechteckige Konfiguration aufweisen.
  10. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, wobei die Wirbelstromsonde mindestens zwei konzentrisch angeordnete Sondensysteme umfasst, wobei ein erstes Sondensystem die Prüfspule und die Abschirmspule umfasst, die die Prüfspule umgibt, und wobei ein zweites Sondensystem um das erste Sondensystem herum angeordnet ist und eine äußere Spulengruppe umfasst, die eine zweite Prüfspule und eine zweite Abschirmspule umfasst.
  11. Wirbelstromsonde nach Anspruch 10, wobei die zweite Prüfspule die zweite Abschirmspule umgibt.
  12. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, die ferner eine Vielzahl von Spulengruppen aufweist, wobei jede Spulengruppe eine entsprechende Prüfspule und eine zugehörige Abschirmspule aufweist, wobei die Sonde als Gruppensonde eingerichtet ist.
  13. Wirbelstromsonde nach Anspruch 2, wobei die Anzahl der Wicklungen in der Abschirmspule das induzierte Feld oder die Erfassung der Wirbelstromfelder wirksam einschränkt.
  14. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, wobei die Wirbelstromsonde mindestens ein erstes Sondensystem und ein zweites Sondensystem umfasst, wobei das erste Sondensystem die Prüfspule und die aktive Abschirmspule umfasst, wobei das zweite Sondensystem eine zweite Prüfspule und eine zweite Abschirmspule umfasst, wobei sich das erste und das zweite Sondensystem auf unterschiedlichen Schichten der Leiterplatte befinden und so angeordnet sind, dass sie sich teilweise überdecken, damit in einem Überlagerungsabschnitt des ersten und zweiten Sondensystems ein empfindlicherer Felderfassungsbereich entsteht.
  15. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, wobei die Prüfspule mit einem Signal mit einer festgelegten Wellenform erregt wird und wobei die aktive Abschirmspule mit einem Signal erregt wird, das 180° phasenverschoben zum Erregersignal ist.
  16. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, wobei die Sonde bei Frequenzen von beinahe Null bis 25 MHz eingesetzt werden kann.
  17. Wirbelstromsonde nach Anspruch 5, wobei die erste Spulengruppe als Erregerspule eingerichtet ist und die zweite Spulengruppe als Empfängerspule eingerichtet ist.
  18. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, wobei die Sonde als Fernfeldeinrichtung eingerichtet ist.
  19. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, wobei die Sonde als Nachweiseinrichtung nach dem magnetischen Streuflussverfahren eingerichtet ist.
  20. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, wobei die Leiterplatte flexibel ausgebildet ist, damit sich ihre Form an eine Oberflächenform des Prüfgegenstands anpassen kann.
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