Simulation von Fehlersignalen bei magnetischer Streuflussmessung

Anbieter zum Thema

Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Comsol Multiphysics GmbH

Der Anwendungsfall – ein durch Wechselstrom angeregtes Streuflussprüfsystem

In einem aktuellen Projekt für den Kunden Vallourec Mannesmann wurde untersucht, wie sich unterschiedliche Fehlergeometrien und Orientierungen auf das gemessene Signal auswirken. Ziel dieser Untersuchung war es, die Aussagekraft der Messsignale zu erhöhen. Durch die Vielzahl der möglichen unterschiedlichen Fehlerformen im Werkstoff wurde die Untersuchung mittels Simulation durchgeführt und anschließend mit realen physikalischen Messergebnissen validiert.

Die Simulationsumsetzung

Das Simulationsmodell wurde in der Simulationssoftware COMSOL Multiphysics unter Nutzung des AC/DC Moduls erstellt. Der Aufbau des Prüfgerätemodells bestand aus einem hufeisenförmigen Joch mit zwei Spulen, die mit Wechselstromspannung (3kHz) angeregt wurden (siehe Bild 1). Dadurch wurde ein Magnetfeld induziert, das im Falle eines Oberflächenfehlers Unregelmäßigkeiten aufweist. Solche Unregelmäßigkeiten im Magnetfeld können beispielsweise mit einer Hall-Sonde gemessen werden.

In einem ersten Schritt wurde das Modell aus Gründen der Einfachheit und den erwarteten langen Rechenzeiten in 2D aufgebaut. Dazu wurde ein Querschnittmodell erstellt, in dem der Spulenstrom senkrecht zur Geometrieebene verläuft. Die hohe Frequenz der Induktionsspannung führt zu einem sehr dünnen Magnetfeld (0,46 mm, Skin Effekt). Entsprechend fein muss an dieser Stelle auch die Vernetzung des Modells durchgeführt werden (siehe Bild 2+3).

Während der Materialprüfung wird das Joch horizontal über die Oberfläche geführt. Diese Bewegung wurde in der Simulation durch Variation der X-Position der Kerbe erreicht. Mit Hilfe eines Matlab-Skripts wurden die Breite, die Höhe, der Winkel und die horizontale Position definiert. So konnten in der Simulation der Einfluss verschiedener Fehlerformen auf die magnetische Flussdichte untersucht werden. Die Ergebnisse der simulierten Signale mit einer in der Breite variierten Kerbe sind in Bild 4 dargestellt.

Die Berechnung des 2D Modells konnte sehr schnell durchgeführt werden, hatte allerdings zwei gravierende Nachteile. Zum einen wurden die Ausbreitung des Magnetfeldes und eventuelle Unregelmäßigkeiten in der z-Richtung nicht berücksichtigt, zum anderen konnten Neigungen der Kerbe nur in der x-y Ebene modelliert werden. Daher war es notwendig, das Modell in 3D aufzubauen. (Nächstes Thema: Sehr gute qualitative Übereinstimmung der Signale)

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