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Dokumentenidentifikation DE102005040858A1 26.04.2007
Titel Vorrichtung zum Erfassen von elektromagnetischen Eigenschaften eines Prüfgegenstands
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Daalmans, Gabriel, 91315 Höchstadt, DE
DE-Anmeldedatum 29.08.2005
DE-Aktenzeichen 102005040858
Offenlegungstag 26.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.04.2007
IPC-Hauptklasse G01N 27/72(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01R 33/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften eines elektrisch leitfähigen Prüfgegenstands (32). Die Vorrichtung umfasst wenigstens zwei Eingangsklemmen (10, 12), die zum Anlegen einer Versorgungsspannung vorgesehen sind, und wenigstens zwei Induktivitäten (14, 16, 18, 20), die nach einem vorbestimmten Schema miteinander verschaltet und zwischen den Eingangsklemmen (10, 12) geschaltet sind. Weiterhin umfasst die Vorrichtung wenigstens zwei Ausgangsklemmen (22, 24), die zum Abgreifen einer Spannung vorgesehen und jeweils mit wenigstens einer Induktivität (14, 16, 18, 20) gekoppelt sind, und wenigstens ein Basisteil (30), auf dem die Induktivitäten (14, 16, 18, 20) nach einem vorbestimmten Schema angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Vorrichtung wenigstens ein Referenzelement (26, 28) aufweist, das wenigstens einer Induktivität (14, 16, 18, 20) zugeordnet und auf dem Basisteil (30) angeordnet ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften eines elektrisch leitfähigen Prüfgegenstands gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des elektrisch leitfähigen Prüfgegenstands ermöglichen auch Rückschlüsse auf Veränderungen der mechanischen Eigenschaften des Prüfgegenstands. Beispielsweise bewirken Korrosion, Oxidation und weitere Alterungsprozesse auch eine Änderung der elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Prüfgegenstands.

Beispielsweise werden die spezifische elektrische Leitfähigkeit und die relative Permeabilität des Prüfgegenstands durch Korrosion, Oxidation und mechanische Änderungen beeinflusst. Die Erfassung von elektrischen und magnetischen Größen ermöglicht somit die Feststellung von Veränderungen der mechanischen Eigenschaften des Prüfgegenstands.

Auch bei einem beschichteten Prüfgegenstand können mechanische und chemische Veränderungen die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Prüfgegenstands beeinflussen. In den Grenzbereichen zwischen dem Substrat des Prüfgegenstands und der Schutzschicht finden weitere physikalische und chemische Reaktionen, beispielsweise eine Diffusion statt, durch welche die Qualität der Schutzschicht verändert wird. Auch in diesem Fall ermöglicht die Erfassung von elektrischen und magnetischen Größen ein zerstörungsfreies Prüfverfahren zum Feststellen mechanischer Eigenschaften des Prüfgegenstands.

Aus der US 6,377,039 B1 ist ein System zum Bestimmen von Eigenschaften eines beschichteten Substrats bekannt. Dabei wird der Prüfgegenstand einem elektromagnetischen Wechselfeld mit einstellbarer Frequenz ausgesetzt, das Wirbelströme im Prüfgegenstand induziert. Das von den Wirbelströmen erzeugte elektromagnetische Feld bzw. dessen induzierte Spannung wird erfasst. Insbesondere wird das Frequenzspektrum der induzierten Spannung bestimmt. Um physikalische und/oder geometrische Eigenschaften ermitteln zu können, werden dem Benutzer diese Eigenschaften als Funktionen der messbaren Größen zur Verfügung gestellt, so dass diese Eigenschaften indirekt bestimmbar sind.

Dieses System benötigt jedoch für jeden Prüfgegenstand einen umfangreichen Datensatz mit detaillierten Informationen über die physikalischen und geometrischen Eigenschaften des Prüfgegenstands. Unter Verwendung der 2D- oder 3D-Feldberechnung und mit Benutzung besonders ausgestalteter planarer Wirbelstromsonden wird der Datensatz mit den Impedanzen bzw. durch das Material induzierten Spannungen in der Wirbelstromsonde in Abhängigkeit von Frequenz, Schichtdicke und elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Schichten erweitert. Die Impedanzen bzw. Spannungen werden in der komplexen Ebene als so genannte Gridstrukturen dargestellt. Die Gridstrukturen entstehen dabei aus zwei zueinander sich in etwa senkrecht schneidenden Kurvenscharen. Eine Kurve entsteht dabei durch die Variation eines Parameters p(1) mit festen Werten für alle anderen Parameter. Die Kurvenschar entsteht dabei durch jeweils einen anderen Wert für zweiten Parameter p(2). Das Grid entsteht nun durch das Verbinden der Impedanzen bzw. Spannungen für einen gegebenen Parameterwert p(1) und einen variablen Parameterwert p(2).

In 10 ist eine solche Gridstruktur dargestellt. Die Gridstruktur liegt in der komplexen Impedanzebene bei einer Erregerfrequenz f0 für ein nicht-magnetisches Grundmaterial mit der elektrischen Leitfähigkeit &sgr;0 und einer elektrisch leitenden Beschichtung. Das Grid entsteht dabei einerseits durch Variation der Schichtdicke bei einem vorgegebenen Wert für die elektrische Leitfähigkeit der Schicht (durchgehende Kurven) und andererseits durch die Variation der elektrischen Leitfähigkeit der Schicht bei einem vorgegebenen Wert für die Schichtdicke (gestrichelte Kurven).

Da die Feldberechnungen aus Differentialgleichungen, nämlich den Maxwell-Gleichungen erfolgen, werden die Absolutwerte der Spannung und der Impedanz nur durch eine Fittprozedur mit Messdaten erhalten. Deswegen sind für die Erstellung des kompletten Datensatzes vorab zahlreiche Messungen erforderlich. Für die Auswertung sind eine spezielle Software und Hardware erforderlich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Erfassen von elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften eines elektrisch leitfähigen Prüfgegenstands bereit zu stellen, die eine einfache Durchführung der Messung ermöglicht und deren konstruktiver Aufwand verhältnismäßig gering ist.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Vorrichtung wenigstens ein Referenzelement aufweist, das wenigstens einer Induktivität zugeordnet und auf dem Basisteil angeordnet ist.

Der Kern der Erfindung liegt darin, dass das Referenzelement, dessen physikalische, insbesondere elektrische und magnetische Eigenschaften bekannt sind, ein integraler Bestandteil der Vorrichtung ist. Die Induktivitäten und die Referenzelemente sind auf dem Basisteil mit vorbestimmtem Abstand voneinander angeordnet. Die erfassten Größen sind auch vom Abstand zwischen der Induktivität und dem Referenzelement abhängig. Da diese Abstände feste Werte sind, werden die Zusammenhänge zwischen erfassten und berechneten Größen vereinfacht. Etwaige Messfehler werden auf diese Weise reduziert oder kompensiert.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung vier Induktivitäten, die eine Brückenschaltung bilden. Die Brückenschaltung ermöglicht eine besonders genaue Messung.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die Ausgangsklemmen zum Abgreifen einer Brückenspannung vorgesehen sind. Bereits eine geringe Änderung der Impedanz einer Induktivität bewirkt eine deutliche Änderung der Brückenspannung.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens zwei der Induktivitäten jeweils ein Referenzelement zugeordnet. Dadurch kann die Brückenschaltung symmetrisch ausgebildet sein, was beispielsweise Vergleichsmessungen ermöglicht.

Dabei können diejenigen Induktivitäten, denen jeweils ein Referenzelement zugeordnet ist, schaltungstechnisch zueinander diametral angeordnet sein. Dies trägt zu einer höheren Empfindlichkeit bei.

Vorzugsweise umfasst das Basisteil wenigstens ein Flächenstück. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Ausgestaltung der Vorrichtung.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Flächenstück aus einem flexiblen Material hergestellt. Dadurch ist die Vorrichtung biegbar und kann an die Geometrie des Prüfgegenstands angepasst werden, so dass die erforderlichen Abstände eingehalten werden können.

Beispielsweise sind die Induktivitäten zumindest teilweise als Spulen, vorzugsweise als planare Luftspulen, ausgebildet. Dabei handelt es sich um zuverlässige, verschleißarme und kostengünstige Bauelemente.

Weiterhin können die Spulen als Leiterbahnen ausgebildet sein, die auf dem Basisteil angeordnet sind. Dies ermöglicht eine besonders flache und kompakte Bauweise.

Insbesondere ist vorgesehen, dass auf der einen Seite des Flächenstücks die Spulen und auf der anderen Seite die Referenzelemente angeordnet sind. Dadurch sind die Spulen und die Referenzelemente ohne zusätzliche Bauteile galvanisch voneinander getrennt.

Bei einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Induktivitäten zumindest teilweise als GMI-Elemente ausgebildet sind. Die GMI-Elemente sind induktive Bauelemente, deren Induktivität empfindlich ist für externe, insbesondere niederfrequente Magnetfelder, statt wie üblich für die Induktion der Magnetfelder.

Für eine Alterungsuntersuchung kann vorgesehen sein, dass das Referenzelement aus dem gleichen Material hergestellt ist wie der Prüfgegenstand. Damit können alterungsbedingte Änderungen der physikalischen Größen erfasst und Rückschlüsse auf die Qualität des Prüfgegenstands gezogen werden.

Weiterhin kann das Referenzelement aus einem Edelmetall hergestellt sein. Beispielsweise ist das Referenzelement aus Kupfer hergestellt.

Bei einer speziellen Ausführungsform kann das Referenzelement als Abschirmelement für die zugeordnete Induktivität bzw. das zugeordnete GMI-Element vorgesehen sein. Damit können elektrische und magnetische Eigenschaften separat bestimmt werden. Beispielsweise ist das Referenzelement aus einem weichmagnetischen Material hergestellt.

Weitere Merkmale, Vorteile und besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachstehend wird die Vorrichtung gemäß der Erfindung in der Figurenbeschreibung anhand beispielhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

2 eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

3 eine schematische Vorderansicht der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

4 eine schematische Draufsicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

5 eine schematische Vorderansicht der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

6 eine schematische vordere Schnittansicht eines Ausschnitts der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

7 eine schematische seitliche Schnittansicht eines Ausschnitts der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

8 eine schematische Draufsicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

9 eine schematische Draufsicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

10 ein Diagramm einer Gridstruktur für ein Verfahren gemäß dem Stand der Technik.

In 1 ist ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung weist eine erste Eingangsklemme 10 und eine zweite Eingangsklemme 12 auf. Weiterhin umfasst die Vorrichtung vier Induktivitäten 14, 16, 18 und 20. Davon sind die erste Induktivität 14 und die zweite Induktivität 16 in Reihe geschaltet. Die dritte Induktivität 18 und die vierte Induktivität 20 sind ebenfalls in Reihe geschaltet. Die beiden in Reihen geschalteten Induktivitätenpaare 14, 16 und 18, 20 sind parallel zwischen den beiden Eingangsklemmen 10 und 12 geschaltet. Somit bilden die vier Induktivitäten 14, 16, 18 und 20 eine so genannte Wheatstonesche Brückenschaltung. Zwischen der ersten Induktivität 14 und der zweiten Induktivität 16 befindet sich eine erste Ausgangsklemme 22. Zwischen der dritten Induktivität 18 und der vierten Induktivität 20 befindet sich eine zweite Ausgangsklemme 24.

Der ersten Induktivität 14 ist ein erstes Referenzelement 26 zugeordnet. Der vierten Induktivität 20 ist ein zweites Referenzelement 28 zugeordnet. Die Referenzelemente 26 und 28 sind vorzugsweise als Flächenstücke ausgebildet. Die physikalischen und geometrischen Eigenschaften der Referenzelemente 26 und 28 sind bekannt. Somit kann die Kenntnis der Eigenschaften der Referenzelemente 26 und 28 für die Bestimmung und Berechnung unbekannter Größen verwendet werden.

An den Eingangsklemmen 10 und 12 wird eine Versorgungsspannung angelegt, so dass von der ersten Eingangsklemme 10 zur zweiten Eingangsklemme 12 ein Erregerstrom IErr fließt. Zwischen den Ausgangsklemmen 22 und 24 liegt eine Brückenspannung &Dgr;U an. Die Brückenspannung hängt insbesondere vom Verhältnis der Impedanzen der Induktivitäten 14, 16, 18 und 20 ab. Eine geringfügige Änderung der Impedanz einer Induktivität wirkt sich bereits deutlich auf die Brückenspannung &Dgr;U auf.

In 2 ist eine schematische Draufsicht einer ersten konkreten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die vier Induktivitäten 14, 16, 18 und 20 sind als serpentinenförmige Leiterbahnen ausgebildet und auf einer Seite eines in 2 nicht dargestellten Basisteils 30 angeordnet. Das Basisteil 30 ist als Flächenstück ausgebildet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Basisteils 30 sind das erste Referenzelement 26 und das zweite Referenzelement 28 angeordnet. Die Referenzelemente 26 und 28 sind ebenfalls als Flächenstücke ausgebildet. Das erste Referenzelement 26 ist der ersten Induktivität 14 zugeordnet. Das zweite Referenzelement 28 ist der vierten Induktivität 20 zugeordnet. Die Flächen der beiden Referenzelemente 26 und 28 überdecken vollständig die Flächen der ersten Induktivität 14 bzw. vierten Induktivität 20.

3 zeigt eine schematische Vorderansicht der ersten Ausführungsform gemäß 2 und verdeutlicht die besonders flache Ausgestaltung der Vorrichtung. Das Basisteil 30 ist als Flächenstück ausgebildet und aus einem flexiblen Material hergestellt. Auf der Oberseite des Basisteils 30 befindet sich eine Leiterbahnschicht 40, in der die vier Induktivitäten 14, 16, 18 und 20, die Eingangsklemmen 10 und 12 sowie die Ausgangsklemmen 22 und 24 ausgebildet sind. An der Unterseite des Basisteils 30 befinden sich die Referenzelemente 26 und 28. Unmittelbar an der Unterseite der Vorrichtung liegt ein Prüfgegenstand 32 an.

Das Basisteil 30 ist aus einem elektrisch nicht-leitenden oder schlecht leitenden Material hergestellt. Vorzugsweise ist das Basisteil 30 aus einer Kunststofffolie hergestellt, die gegen Säuren und Basen beständig ist. Bei der Strukturierung der Leiterbahnschicht 40 werden Säuren und/oder Basen verwendet. Beispielsweise ist das Basisteil 30 aus einer Kapton-Folie hergestellt. Der Biegeradius des Basisteils 30 soll typisch kleiner sein als 5 mm, vorzugsweise kleiner als 1 mm, ohne dabei irreversible elektrische Eigenschaften aufzuweisen. Das Basisteil 30 ist sowohl für Dünnschichtschaltungen als auch für Dickschichtschaltungen geeignet.

Die Leiterbahnschicht 40 ist aus vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium hergestellt. Damit lässt sich über große Flächen eine homogene Leiterbahnschicht 40 ausbilden. Die Defektdichte und der elektrische Widerstand sind bei Kupfer und Aluminium gering. Außerdem sind Kupfer und Aluminium kostengünstig und mit Standardprozessen strukturierbar. Bei besonders hohen Anforderungen können auch Gold oder Silber verwendet werden.

Die Referenzelemente 26 und 28 sind beispielsweise aus einem international akzeptierten Standardmaterial, wie zum Beispiel elektrolytischem Kupfer, hergestellt, dessen elektrische Materialeigenschaften bekannt sind. Damit lässt sich ein fremdes Material bezüglich des Standardmaterials auf einfache Weise charakterisieren. Alternativ dazu können die Referenzelemente 26 und 28 aus demselben Material wie der Prüfgegenstand 32 hergestellt sein, wobei sich das Material im Zustand des neuwertigen Prüfgegenstands 32 befindet. Damit lässt sich insbesondere die Alterung des Prüfgegenstands 32 bestimmen.

Ein bevorzugtes Messverfahren erfolgt in zwei Schritten. Bei einer ersten Messung wird die Brückenspannung &Dgr;U gemessen, wobei der Prüfgegenstand 32 von der Vorrichtung entfernt ist. Bei einer zweiten Messung wird die Brückenspannung &Dgr;U gemessen, wobei der Prüfgegenstand 32 an der Vorrichtung anliegt. Die beiden Messungen ermöglichen die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des Prüfgegenstands 32, der aus einem nicht-magnetischen Material besteht, bezogen auf das Material der Referenzelemente 26 und 28.

Da die erste Induktivität 14 und die vierte Induktivität 20 durch das Referenzelement 26 bzw. 28 abgedeckt sind, arbeiten nur die zweite Induktivität 16 und dritte Induktivität 18 als Sensor für ein Wirbelstromfeld, das von den Wirbelströmen im Prüfgegenstand 32 erzeugt wird.

Die Impedanzen in den beiden Armen der Brückenschaltung sind bei homogenem Material des Prüfgegenstands 32 in den lateralen Richtungen gleich. Folglich beträgt der Erregerstrom in jedem Arm der Brückenschaltung 0,5 IErr.

Die Potentiale, d.h. die Spannungen bezüglich zur ersten Eingangsklemme sind an der ersten Ausgangsklemme 22 und an der zweiten Ausgangsklemme 24 ohne Anwendung eines Prüfgegenstands 32 gegeben durch: U1,Luft = 0,5 IErr Z1,Ref,(1) U3,Luft = 0,5 IErr Z3,Luft,(2) wobei U1,Luft die an der ersten Induktivität 14 abfallende Spannung und U3,Luft die an der dritten Induktivität 18 abfallende Spannung ist. Z1,Ref und Z3,Luft sind die Impedanzen der ersten Induktivität 14 bzw. dritten Induktivität 18. Daraus ergibt sich für die Brückenspannung &Dgr;ULuft = U3,Luft – U1,Luft = 0,5 IErr (Z3,Luft – Z1,Ref).(3)

Die Änderung der Impedanz der ersten Induktivität 14 aufgrund des Referenzelements 26 ist gegeben durch: Z1,Ref = &dgr;Z1,Ref + Z1,Luft.(4)

Unter der Annahme, dass die Impedanzen in Luft für alle Induktivitäten 14, 16, 18 und 20 gleich sind, gilt für die zwischen den Ausgangsklemmen 22 und 24 anliegende Brückenspannung &Dgr;ULuft = –0,5 IErr &dgr;Z1,Ref.(5)

Die zweite Messung erfolgt mit dem Prüfgegenstand 32, der mit der Vorrichtung in Kontakt ist. In diesem Fall betragen die Potentiale an den Ausgangsklemmen 22 und 24 U1,Mat = 0,5 IErr Z1,Ref,(6) U3,Mat = 0,5 IErr Z3,Mat(7) und die Brückenspannung &Dgr;UMat = 0,5 IErr(&dgr;Z3,Mat – &dgr;Z1,Ref).(8)

Der Vergleich der Ausdrücke (5) und (8) ergibt das Verhältnis der beiden Brückenspannungen &Dgr;UMat/&Dgr;ULuft = 1 – &dgr;Z3,Mat/&dgr;Z1,Ref, das ein Ausdruck für die Materialeigenschaften des Prüfgegenstands 32 ist. Die Impedanzänderungen &dgr;Z3,Mat und &dgr;Z1,Ref hängen von dem spezifischen Widerstand &rgr; und der relativen Permeabilität &mgr; der Materialien der Referenzelemente 26 und 28 sowie des Prüfgegenstands 32 ab. In einem isotropen Material sind der spezifische Widerstand &rgr; und die relative Permeabilität &mgr; skalare Größen.

Weiterhin hängen die Impedanzänderungen &dgr;Z3,Mat und &dgr;Z1,Ref von den Längen b der Leiterbahnabschnitte, der Breite w der Leiterbahn und dem Abstand d zwischen den Induktivitäten und dem Prüfgegenstand 32 ab. Daher ist es erforderlich, die Referenzelemente 26 und 28 und den Prüfgegenstand 32 im gleichen Abstand von den Induktivitäten 12, 20 bzw. 16, 18 zu messen. Die Abhängigkeit der Impedanz von den Abmessungen der Spulen ist bei den Referenzelementen 26 und 28 und dem Prüfgegenstand 32 gleich, so dass das Verhältnis der Impedanzänderungen in Gleichung (9) im wesentlichen eine Funktion des spezifischen Widerstands &rgr; und der relativen Permeabilität &mgr; derjenigen Materialen ist, die miteinander verglichen werden.

4 zeigt eine schematische Draufsicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die zweite Ausführungsform wird der obigen Forderung gerecht, dass die Referenzelemente 26 und 28 und der Prüfgegenstand 32 im gleichen Abstand von den Spulen 14 und 20 bzw. 16 und 18 gemessen werden. Schaltungstechnisch sind die erste und zweite Ausführungsform identisch. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch die geometrische Anordnung der Induktivitäten 14, 16, 18 und 20. Die Induktivitäten 14, 16, 18 und 20 sind nebeneinander sowie parallel zueinander auf dem Basisteil 30 angeordnet. Die Induktivitäten 14 und 20, denen das Referenzelement 26 bzw. 28 zugeordnet ist, sind außen angeordnet. Dabei befinden sich die Referenzelemente 26 und 28 gegenüber der Induktivitäten 14 bzw. 20 an der Unterseite des Basisteils 30.

5 zeigt eine schematische Vorderansicht der zweiten Ausführungsform. Die Deformierbarkeit des Basisteils 30 wird in 5 verdeutlicht. Der Abstand zwischen dem Prüfgegenstand 32 und den Induktivitäten 16 und 18 ist ebenso groß wie der Abstand zwischen den Referenzelementen 26 und 28 und den Induktivitäten 14 bzw. 20. Durch die Verwendung des flexiblen Materials für die Herstellung des Basisteils 30 sind die gewünschten Abstände gewährleistet.

6 zeigt eine schematische vordere und 7 eine schematische seitliche Schnittansicht eines Ausschnitts der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In 6 und 7 ist ein Leiterbahnabschnitt 40 einer Spule dargestellt, durch den der Erregerstrom IErr in der Zeichnungsebene von links nach rechts fließt. Weiterhin ist ein Abschnitt des Prüfgegenstands 32 abgebildet, in dem der Wirbelstrom IWirb in der Zeichnungsebene von rechts nach links, also antiparallel zum Erregerstrom IErr fließt. In 7 fließen der Erregerstrom IErr und der Wirbelstrom IWirb senkrecht zur Zeichnungsebene. Dabei fließt der Erregerstrom IErr in die Zeichnungsebene hinein und der Wirbelstrom IWirb aus der Zeichnungsebene heraus. Der Leiterbahnabschnitt 40 ist um den Abstand d von dem Prüfgegenstand 32 beabstandet. Der Wirbelstrom IWirb Wird in dem Prüfgegenstand 32 in einer Schicht mit der Tiefe &lgr; induziert, die der Eindringtiefe &lgr; des Magnetfeldes entspricht, die vom Erregerstrom IErr erzeugt wird. Die Eindringtiefe &lgr; hängt von der Frequenz f des Erregerstroms IErr ab. Die Wirbelstromdichte j nimmt im Prüfgegenstand 32 von oben nach unten in etwa exponentiell ab.

Die Eindringtiefe &lgr; des Wirbelstroms IWirb ist gegeben durch &lgr; = √[&rgr;/(&pgr;&mgr;f)].

Zwischen dem Wirbelstrom IWirb und dem Erregerstrom IErr besteht für ein nicht-magnetisches Material der Zusammenhang IWirb = IErr(w + &lgr;)/[&ggr;(d + w + dSpule + &lgr;)], wobei &ggr; ein Proportionalitätsfaktor, dSpule die Dicke der Spule und d der Breite des Luftspalts bzw. der Abstand zwischen der Spule und dem Prüfgegenstand 32 ist. Die Änderung der Impedanz aufgrund der Wirbelströme ist eine komplexe Größe &dgr;ZMat = &dgr;RMat + 2&pgr;fj &dgr;LMat,(12) wobei &dgr;RMat die Verluste im Material aufgrund der Wirbelströme und &dgr;LMat die Änderung der Induktivität sind. Die Änderung der Induktivität ist definiert durch &dgr;LMat = &PHgr;/IErr, wobei &PHgr; der gesamte magnetische Fluss im Material ist, der durch die Wirbelströme induziert wird. Der Fluss &PHgr; tritt in dem Bereich b&lgr; auf. Für die Änderung der Induktivität gilt &dgr;LMat = ∫ b By(z) dz/IErr,(14) wobei By(z) die Komponente des Magnetfeldes ist, die sich parallel zur Stromrichtung erstreckt By(z) = (–j0&lgr;&mgr;/2) [exp(–z/&lgr;) – 1].

Der lokale Wirbelstrom j = j0 exp(–z/&lgr;)(16) hat ein Maximum bei z = 0 und ein Minimum bei z = &lgr;. Durch Einsetzen von (15) und (16) in (14) ergibt sich für die Änderung der Induktivität &dgr;LMat = (b/w) (IWirb/IErr)√[(&rgr;&mgr;)/(&pgr;f)}.(17)

Auf ähnliche Weise ergeben sich für die Verluste &dgr;RMat = (b/w) (IWirb/IErr)√(2&rgr;&mgr;&pgr;f).(18)

Wenn das Normierungsverfahren gemäß Gleichung (9) auf diese materialabhängige Spannung angewandt wird, ergibt dies: Re(&Dgr;UMat) = Re(&Dgr;ULuft) [√(&rgr;Mat/&rgr;Ref) – 1],(19) Im(&Dgr;UMat) = Im(&Dgr;ULuft) [√(&rgr;Mat/&rgr;Ref) – 1],(20) (&Dgr;UMat)2 = (&Dgr;ULuft)2 (&rgr;Mat/&rgr;Ref) – 1).(21)

Aus den Gleichungen (19) bis (21) ist erkennbar, dass die Vorrichtung in der Lage ist, den spezifischen Widerstand vom Material des Prüfgegenstands 32 bezogen auf das Material der Referenzelemente 26 und 28 zu bestimmen. Die Messung der Referenzelemente 26 und 28, deren Eigenschaften bekannt sind, erfolgt gleichzeitig mit der Messung des Prüfgegenstands 32. Aus diesem Grund sind keine Vorarbeiten vor der eigentlichen Messung erforderlich. Es ist nicht notwendig, eine oder mehrere aufwändige Kalibrierungskurven zu erstellen.

Das Material der Referenzelemente 26 und 28 kann entsprechend den Anforderungen ausgewählt werden. Beispielsweise ist es bei einer Alterungsbestimmung eines Materials zweckmäßig, einen entsprechenden Referenzgegenstand aus einem neuen Material zu verwenden.

Die erste und zweite Ausführungsform sind insbesondere dazu vorgesehen, Eigenschaften von homogenen Materialien zu erfassen. Weiterhin können die erste und zweite Ausführungsform auch zur Messung solcher Materialien verwendet werden, die entlang einer bestimmten räumlichen Richtung inhomogen sind. Dies trifft beispielsweise für Materialien aus mehreren Schichten zu. Dabei werden die unterschiedlichen Eindringtiefen, die von der Frequenz f des Erregerstroms IErr abhängen, genutzt. Bei hohen Frequenzen f ist die Eindingtiefe gering, so dass nur in einer ersten Schicht der Wirbelstrom induziert wird. So lange der Wirbelstrom nicht in einer zweiten Schicht induziert wird, erscheint das Material als homogen. Wird die Frequenz f reduziert, so wird der Wirbelstrom auch in der zweiten und in den weiteren Schichten induziert. Dabei ändert sich die Impedanz aufgrund der unterschiedlichen Werte für den spezifischen Widerstand &rgr; und die Permeabilität &mgr; in den einzelnen Schichten. Wird die Brückenspannung als Funktion der Frequenz f erfasst und anschließend die Ableitung nach der Frequenz f gebildet, lassen sich aus den unstetigen Änderungen in der Ableitungsfunktion Rückschlüsse über den Schichtaufbau ziehen.

In 8 ist eine schematische Draufsicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die dritte Ausführungsform weist als Induktivitäten vier GMI-Elemente 44, 46, 48 und 50 auf. Die GMI-Elemente 44, 46, 48 und 50 haben intern jeweils zwei Erregerspulen für niedrige Frequenzen. Die vier GMI-Elemente 44, 46, 48 und 50 sind ebenso geschaltet wie die vier Spulen 14, 16, 18 und 20 in 1. Dementsprechend weist auch die dritte Ausführungsform eine erste Eingangsklemme 10, eine zweite Eingangsklemme 12, eine erste Ausgangsklemme 22 und eine zweite Ausgangsklemme 24 auf. Dem ersten GMI-Element 44 ist ein drittes Referenzelement 52 zugeordnet. Dem vierten GMI-Element 50 ist ein viertes Referenzelement 54 zugeordnet. Das dritte und vierte Referenzelement 52 und 54 sind als magnetische Abschirmelemente ausgebildet.

Zusätzlich umfasst die dritte Ausführungsform eine Vorrichtung zum niederfrequenten Aktivieren des Materials. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 8 sind dazu eine erste Niederfrequenzklemme 36 und eine zweite Niederfrequenzklemme 38 vorgesehen. Die erste Niederfrequenzklemme 36 ist zwischen der ersten Eingangsklemme 10 und dem dritten GMI-Element 48 geschaltet. Die zweite Niederfrequenzklemme 38 ist zwischen dem zweiten GMI-Element 46 und der zweiten Eingangsklemme 12 geschaltet. Die Niederfrequenzklemmen 36 und 38 sind zum Anlegen einer Niederfrequenzspannung vorgesehen, um die Erregerspulen mit einem Niederfrequenzstrom zu versorgen. Die GMI-Elemente erfassen das lokale niederfrequente Feld. In magnetischen Materialien mit permanenten Feldern können die permanenten Gleichstromfelder gemessen werden ohne irgendeine externe niederfrequente Anregung.

Die Erregerspulen für niedrige Frequenzen können in der Brückenschaltung integriert oder als externe dreidimensionale oder zweidimensionale Spulen ausgebildet sein. Werden dagegen nur remanente Felder erfasst, sind keine Erregerspulen erforderlich. Vorteilhafterweise werden die Komponenten des Erregerfeldes in der Ebene der GMI-Elemente erzeugt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Komponenten des Erregerfeldes von den GMI-Elementen erfasst werden.

Die dritte Ausführungsform ist in der Lage, die Einflüsse des spezifischen Widerstands &rgr; und der Permeabilität &mgr; zu separieren. Die dritte Ausführungsform ist sowohl für homogene als auch für inhomogene Materialien geeignet. Mit der dritten Ausführungsform kann insbesondere auf einfache Weise die Permeabilität &mgr; eines homogenen Materials bestimmt werden.

9 zeigt eine schematische Draufsicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei handelt es sich um eine alternative Ausführungsform zur Vorrichtung gemäß 4, die auch die gleichen Bauelemente aufweist. Für die gleichen Bauelemente werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die Vorrichtungen gemäß 9 und 4 sind schaltungstechnisch identisch, unterscheiden sich aber in der geometrischen Anordnung der Bauelemente. Bei der Vorrichtung gemäß 9 gibt es keine sich überkreuzenden Leiterbahnen, was die Herstellung vereinfacht.

In 10 ist eine Gridstruktur für das eingangs beschriebene Verfahren gemäß dem Stand der Technik dargestellt.


Anspruch[de]
Vorrichtung zum Erfassen von elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften eines elektrisch leitfähigen Prüfgegenstands (32), wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:

– wenigstens zwei Eingangsklemmen (10, 12), die zum Anlegen einer Versorgungsspannung vorgesehen sind,

– wenigstens zwei Induktivitäten (14, 16, 18, 20), die nach einem vorbestimmten Schema miteinander verschaltet und zwischen den Eingangsklemmen (10, 12) geschaltet sind,

– wenigstens zwei Ausgangsklemmen (22, 24), die zum Abgreifen einer Spannung vorgesehen und jeweils mit wenigstens einer Induktivität (14, 16, 18, 20) gekoppelt sind, und

– wenigstens ein Basisteil (30), auf dem die Induktivitäten (14, 16, 18, 20) nach einem vorbestimmten Schema angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Vorrichtung wenigstens ein Referenzelement (26, 28) aufweist, das wenigstens einer Induktivität (14, 16, 18, 20) zugeordnet und auf dem Basisteil (30) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung vier Induktivitäten (14, 16, 18, 20) umfasst, die eine Brückenschaltung bilden. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsklemmen (22, 24) zum Abgreifen einer Brückenspannung vorgesehen sind. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Induktivitäten (12, 18) jeweils ein Referenzelement (26, 28) zugeordnet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivitäten (12, 18) mit den Referenzelementen (26, 28) schaltungstechnisch zueinander diametral angeordnet sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisteil (30) wenigstens ein Flächenstück umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenstück (30) aus einem flexiblen Material hergestellt ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivitäten zumindest teilweise als Spulen (14, 16, 18, 20) ausgebildet sind. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (14, 16, 18, 20) als Leiterbahnen ausgebildet sind, die auf dem Basisteil (30) angeordnet sind. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der einen Seite des Flächenstücks (30) die Spulen (14, 16, 18, 20) und auf der anderen Seite die Referenzelemente (26, 28) angeordnet sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivitäten zumindest teilweise als GMI-Elemente (44, 46, 48, 50) ausgebildet sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzelement (26, 28) aus dem gleichen Material hergestellt ist wie der Prüfgegenstand (32). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzelement (26, 28) aus einem Edelmetall hergestellt ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzelement (26, 28) aus Kupfer hergestellt ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzelement (40, 42) als Abschirmelement für die zugeordnete Induktivität (12, 18) bzw. das zugeordnete GMI-Element (44, 50) vorgesehen ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzelement (40, 42) aus einem weichmagnetischen Material hergestellt ist.






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