DE4342100A1

DE4342100A1 - Konfokale Magnettomographie zur Rückrechnung von Magnet- oder Stromquellen in ebenen Körpern basierend auf der flächigen Vermessung einer Magnetfeldkomponente

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Publication number: DE4342100A1
Application number: DE19934342100
Authority: DE
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1993-12-10
Filing date: 1993-12-10
Publication date: 1995-07-20

Description

1. Problemstellung

Das Verfahren der magnetischen Streuflußmessung ermöglicht die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung von magnetisierbaren Bauteilen oder Verbundbauteilen mit magnetisierbarer Matrix. Hierbei weist der örtlich austretende Streufluß mit einer charakteristischen Signatur in den Meßwerten auf einen Schaden im Bauteil hin. Prinzipiell können damit alle offenen Trennstellen (durchgängige Brüche, Anrisse, Kerben, freie Enden) detektiert werden. In der Prüfpraxis sind die Bruchsignale jedoch von unter Umständen großen Störsignalen überlagert, die sich aus Permeabilitätsänderungen im magnetisierbaren Werkstoff, z. B. durch plastische Verformungen, örtliche Wärmeeinflüsse, Materialinhomogenitäten etc. ergeben. Weitere Störsignale ergeben sich aus der Umgebung, z. B. magnetische Störfelder aus dem Betrieb von elektrischen Maschinen, Felder von magnetischen Bauteilen in der Nähe des Prüfobjekts etc. Die Schwierigkeit bei der Deutung der insgesamt aufgenommenen Signale besteht nun darin, aus der Überlagerung der verschiedenen Signale die charakteristischen Signale von z. B. Brüchen eindeutig zu identifizieren.

2. Rückrechnung

Die meisten Störsignale können jedoch eliminiert werden, wenn aus den Meßwerten, die eine zweidimensionale Verteilung der magnetischen Feldstärke in der Meßebene als Aufsummierung aller magnetischen Informationen aus einem dreidimensionalen Objekt darstellen, auf die im Objekt vorhandene Magnetisierung zurückgerechnet wird. Der Vorteil ist hierbei, daß die Magnetisierung in Rissen und Trennstellen zu Null wird und somit diese Stellen deutlicher von Bereichen mit Permeabilitätsänderungen, in denen die Magnetisierung im wesentlichen von Null verschieden ist, zu unterscheiden sind. Zusätzlich lassen sich natürlich Strukturenden oder periodische Strukturformen erkennen.

Rückrechnungsverfahren, die eine dreidimensionale Magnetisierungsverteilung im Objekt berechnen, erfordern eine große Anzahl von Meßpunkten und einen beträchtlichen Rechenaufwand, so daß diese Verfahren sehr zeitaufwendig sind und nicht in Realzeit durchgeführt werden können.

3. Modell und Lösungsvorschlag

Im folgenden soll ein vereinfachtes und schnelleres Verfahren vorgestellt werden, die sogenannte konfokale Magnettomographie.

Auf der Basis von /1/, in der die Rückrechnung von gemessenen Feldstärken auf die erzeugende Stromverteilung in ebenen Körpern beschrieben wird, soll das hier vorgestellte Verfahren die Magnetisierungsverteilung in Körpern auf Ebenen parallel zur Meßebene in Realzeit berechnen.

Zur Beschreibung des Verfahrens soll ein einfaches Modell betrachtet werden. Hierbei handelt es sich um einen ebenen Körper, siehe Abb. 1, der in einer Ebene 1 (Störebene) im Abstand -z₁ von der Oberfläche und in einer weiteren Ebene 2 (Quellebene) im Abstand -z₂ von der Oberfläche jeweils eine unterschiedliche Magnetisierungsverteilung besitzt. In einer Ebene 3 (Meßebene) im Abstand +z₃ von der Oberfläche kann durch einen geeigneten Magnetfeldsensor eine zweidimensionale Verteilung der magnetischen Feldstärkekomponente in einer Koordinatenrichtung gemessen werden. Diese Feldstärkekomponente ist eine Überlagerung der Feldstärke resultierend aus der Magnetisierung in Ebene 1 und Ebene 2. Das Ziel des Verfahrens ist es nun, aus der Messung der Feldstärkeverteilung in Ebene 3 möglichst gut auf die Magnetisierungsverteilung (Quellverteilung) in Ebene 2 zurückzurechnen und dabei die magnetische Information (Störsignale) in Ebene 1 zu unterdrücken.

Im Fourier-Raum wird der Zusammenhang zwischen der fouriertransformierten Feldstärkekomponente h_x (aus der Feldstärkekomponente H_x) und der fouriertransformierten Magnetisierungskomponente m_y (aus der Magnetisierungskomponente M_y) beschrieben durch

Hierbei sind k_x und k_y die fouriertransformierten Koordinaten (Frequenzen) x bzw. y und g(k_x, k_y, z) ist die fouriertransformierte Greensche Funktion G(x,y,z), die in diesem Fall analytisch gelöst werden kann und die Form eines Tiefpaßfilters hat, wobei die Filterstärke durch den Abstand der Meßebene 3 zur Körperoberfläche bzw. den Magnetisierungsebenen 1 und 3 beeinflußt wird. Bei dem hier vorgestellten Problem muß das inverse Problem gelöst werden, d. h. aus Gleichung (1) muß z. B. aus dem gemessenen und transformierten Feld h_x(k_x, k_y, z) die Magnetisierungsverteilung m_y(k_x, k_y, z) berechnet werden. Dies bedeutet, daß z. B. im Fourierraum die y-Komponente der Magnetisierung einfach durch eine Hochpaßfilterung der x-Komponente der Feldstärke ermittelt werden kann. Auch aus der Feldstärkekomponente in z-Richtung läßt sich eindeutig die Magnetisierung in x- und y-Richtung berechnen wenn man beachtet, daß im quasistatischen Fall die Divergenz der Magnetisierung gleich Null ist.

∇ · M = 0
-i · k_x · m_x(k_x, k_y)-i · k_y · m_y(k_x, k_y) = 0 (3)

Die in der Ebene 3 somit berechnete Magnetisierung ist allerdings eine unscharfe (niederfrequente) Abbildung der Magnetisierungsverteilung im Körper. Eine Umrechnung der Magnetisierung auf andere Ebenen im Abstand Δz ist im Fourierraum ist einfach möglich durch:

Es ist aus Gleichung (4) offensichtlich, daß bei einer Umrechnung auf Ebenen, die näher zu den Quellebenen liegen, d. h. z ist kleiner als z₁, die hohen Frequenzen durch die Wirkung des ersten Faktors als Hochpaßfilter verstärkt werden. Bildlich gesprochen wird die Magnetisierung schärfer (höherfrequent) dargestellt, z. B. ist es dann möglich, bei einer Umrechnung auf die Ebene 1 die dort vorhandene Magnetisierung möglichst scharf (in Abhängigkeit von der Empfindlichkeit und des Signal-zu Rausch-Verhältnisses des Meßsystems) darzustellen.

Hier ergibt sich nun die Möglichkeit, die hohen Frequenzen, die ja im wesentlichen die magnetische Information aus Ebene 1 beinhalten, durch einen Tiefpaßfilter zu entfernen und die so gefilterte Magnetisierung dann weiter mit Gleichung (4) auf die Ebene 2 zurückzurechnen. Damit hat man im wesentlichen die unscharfe Abbildung der Ebene 1 auf der Ebene 2 entfernt und erhält eine gute Darstellung der Magnetisierung in der Ebene 1, die kaum noch durch die Magnetisierung aus Ebene 1 beeinflußt wird. Bei der oben genannten Filterung in der Ebene 2 muß die Filterstärke so gewählt werden, daß die hohen Frequenzanteile der Ebene 1 möglichst vollständig abgeschnitten werden, ohne jedoch die Frequenzanteile der Ebene 2, die ja in der Ebene 1 auch als unscharfe Abbildung enthalten sind, zu entfernen. In der Praxis wird sich die Filterung jedoch nicht so ideal ausführen lassen, da sich der obere Frequenzbereich der Ebene 1 und der untere Frequenzbereich der Ebene 2 immer überlappen werden. Die Grenzfrequenz kann nur so gewählt werden, daß bei der Filterung möglichst wenig Information aus der Ebene 2 entfernt wird.

4. Einfluß des Rauschens bei der Messung

Von wesentlicher Bedeutung bei diesem Verfahren ist eine möglichst rauscharme Messung der Feldstärke in Ebene 3, da das Rauschen als hochfrequentes Ereignis bei dem hier beschriebenen Verfahren überproportional verstärkt wird und bei einer Filterung des Rauschens auch gleichzeitig einen großen Anteil der magnetischen Information entfernt würde.

5. Anwendungen

Eine mögliche Anwendung der konfokalen Magnettomographie ist wie in Kapitel 1 beschrieben bei der Detektion von Spannstahlrissen in vorgespannten Betonbauten zu sehen, bei der mit einem höchstempfindlichen Sensor nahe der Bauteiloberfläche (Ebene 3) der magnetische Streufluß aus der Bruchstelle gemessen wird. Hierbei befindet sich meistens kurz unterhalb der Bauteiloberfläche die schlaffe Armierung (Ebene 1) und tiefer innenliegend das Spannbündel (Ebene 2). Durch das beschriebene Verfahren können die Störsignale aus der Ebene 1 eliminiert und die Spannstahlrisse deutlicher erkannt werden, da in den Rissen die Magnetisierung gleich Null ist.

Weitere Anwendungen sind auch dort zu sehen, wo hinter der Armierungslage Maueranker etc. erkannt werden müssen oder die Verlegung von Armierungsmatten, z. B. an Verbindungsstellen, überprüft werden soll.

Ein ähnliches Problem ergibt sich auch bei der Wirbelstromprüfung von Strukturen aus genieteten Aluminiumplatten, die z. B. beim Flugzeugbau verwendet werden. Wenn hierbei von der Außenseite Risse in den unteren Platten detektiert werden sollen, dann können Signale der Nieten und Nietlöcher aus den darüberliegenden Platten das eigentliche Bruchsignal überlagern. Durch die konfokale Magnettomographie können diese Störsignale eliminiert werden.

Literatur

B. J. Roth, N. G. Sepulveda and J. P. Wikswo, Using a Magnetometer to Image a Two-Dimensional Current Distribution, J. Appl. Phys. 65 (1), 1989.

Rißerkennung bei Spannbetonträgern durch Rückrechnung der H_z(x, y) z = z₀ Komponente:
Für ebene Strom- bzw. Magnetisierungslage können die Quellen nach Messung der H_z Komponente in einer Parallelebene eindeutig rück gerechnet werden.

Bei zwei Magnetisierungslagen (schlaffe Armierung) kann durch zwei Messungen in verschiedener z-Entfernung eine Ebene herausgerechnet werden, weil die Schärfe der Abbildung für die beiden Ebenen in den Meßebenen unterschiedlich ist.

Die magnetischen Signale der unter den Spannstählen befindlichen Armierung stören die empfindliche Messung der in einer Ebene darüber befindlichen Spannstahlbündel deren Risse oder Einrisse gemessen werden sollen.

Die Rückrechnung der zweidimensionalen H_z(x, y) z = z_i Verteilung erfolgt durch innere Filterung (Hochpaßfilterung). Die gemessene Bildschärfe hängt vom Abstand Magnetisierungsebene - Meßebene ab und ermöglicht durch zwei Messungen mit verschiedenen Z_i eine Unterscheidung der zwei Quellebenen.

Claims

Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Bautei les, welches unterhalb seiner Oberfläche eine schlaffe magnetisierte Armierung aufweist und außerdem relativ zur Bauteiloberfläche tieferliegend ein magnetisiertes Bündel von Stäben in einem Hüllrohr aufweist, bei dem mit Hilfe eines Magnetfeldsensors in definierter Entfernung der Bauteiloberfläche das Magnetfeld aufge nommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der so bestimmten Magnetfeldwerte eine Rückrechnung auf die Magnetisierungsverteilung der mag netisierten Teile des Bauelementes in unterschiedlich zur Oberfläche des Bauteiles tiefgelegenen Ebenen rech nerisch bestimmt und auf diese Weise eine deutlichere Darstellung einzelner magnetisierten Teile des Bauteils enthaltenden Ebenen dargestellt werden und damit geschädigte Stahlteile im Bauteil erkannt werden.