Meßgerät NORTEST 2080 mit eingebautem Rechner

Das Meßgerät NORTEST 2080 arbeitet unter Verwendung des Barkhausen – Effektes. Dieser mikromagnetische Effekt ermöglicht die zerstörungsfreie, schnelle und genaue Bestimmung einer Reihe wichtiger Kenngrößen ferromagnetischer Werkstoffe, die in deren Mikrostruktur   begründet sind und die sich mit anderen Verfahren nur schwer oder evtl. gar nicht gewinnen lassen.      Damit eignet sich das NORTEST 2080 beispielsweise zur Bestimmung folgender Größen

Härtetiefe

Härte

Kohlenstoffgehalt

Randentkohlung

Nitrierschichtdicke

Ferritgehalt austenitischer Stähle

allgemein Werkstoff- und Gefügezustand nach Wärmebehandlungen

Ferromagnetische Werkstoffe weisen eine besondere Struktur auf, die darin besteht, daß kleine Volumenbereiche, die Domänen,  in sich eine einheitliche Magnetisierungsrichtung auf-weisen, wobei die Magnetisierungsrichtungen benachbarter Domänen sich aber unter-scheiden. Die Domänen sind voneiander durch Grenzflächen getrennt, die nach ihrem Entdecker als Bloch – Wände bezeichnet werden.  Wird von außen ein Magnetfeld eingeprägt, so wandern die Bloch – Wände und bewirken damit, daß sich je nach Bewegungsrichtung bestimmte Domänen vergrößern, was zwingend zu einer Verkleinerung der jeweiligen Nachbardomänen führt. Die nach außen wirksame Magnetisierungsrichtung und –größe ändert sich damit, bis sich ein neuer stabiler Endzustand eingestellt hat.  Die Wanderungsbewegung der Bloch – Wände erfolgt  sprunghaft; eine nahe der Werkstoffoberfläche liegende Sensor-spule wird dadurch von einer Vielzahl kleiner zeitlicher Magnetflußänderungen durchsetzt, was nach dem Induktionsgesetz eine entsprechende Zahl induzierter Spannungsstöße zur Folge hat. Das so entstehende Signal hat Ähnlichkeit mit einem Rauschsignal und wird deshalb als Barkhausenrauschen bezeichnet. Der Effekt wurde 1908 von Heinrich Barkhausen entdeckt, lange Zeit jedoch nicht praktisch genutzt, bis die Werkstoffwissenschaften begannen, die Signalstruktur in Verbindung mit Werkstoffeigenschaften zu bringen und damit den prak-tischen Einsatz eröffneten.

Der Gesamtheit von Stoßfunktionen der einzelnen Spannungsstöße am Ausgang der Sensorspule entspricht im Frequenzbereich ein Spektrum, welches bis in den Bereich einiger MHz reicht. Die Amplitudenabnahme in Richtung hoher Frequenzen wird im wesentlichen durch die Wirbelstromdämpfung bewirkt, der jede Spektralkomponente unterliegt. Diese Dämpfung erfolgt nach der Gleichung

a

x

w

k

m

Dämpfung in dB

Wegstrecke des Signalanteiles im Werkstoff

Kreisfrequenz der Spektralkomponente

spez. elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffes

Permeabilität des Werkstoffes

Je höher die Frequenz der Spektralkomponente, umso größer ist die Dämpfung. Die Dämpfung steigt auch mit zunehmender Signalweglänge vom Entstehungsort der Magnetisierungs-änderung im Werkstoff bis zur Sensorspule an der Oberfläche. Die bedeutet, daß aus tieferen Werkstoffzonen bevorzugt niederfrequente Signalanteile stammen, während die hoch-frequenten Anteile aus der oberflächennahen Zone kommen. Ingesamt ist damit auch die Anwendung des Effektes auf einen Bereich von der Werkstoffoberfläche bis in etwa 1,5 mm Tiefe beschränkt.

Der Barkhausen – Effekt beschreibt eine Mikrostruktur beim Durchlaufen der Magnetisierungs-kurve eines ferromagnetischen Werkstoffes. Die vielfältigen möglichen Auswerteverfahren des verstärkten Sensorsignales betreffen deshalb teils den Zusammenhang zwischen eingeprägter Magnetisierung und Signal, teils beruhen sie auf der Verarbeitung der Signalgrößen selbst. Die Vielzahl der dadurch verfügbaren Auswertungen ist der Grund dafür, daß dieses Verfahren die Erfassung von Werkstoff - Kenngrößen ermöglicht, die sich anderen Verfahren entziehen. Hier die wichtigsten Auswertemöglichkeiten:

Effektivwert des Signales

gefensterter Effektivwert des Signales  

F – Transformation

Effektivwert ausgewählter Spektralkomponenten

Anregefeldstärke beim Signalmaximum

Maximum der Signaleinhüllenden

Amplitudenspektrum der Einhüllenden des Signales

Integral der Signalfunktion

Impulshöhenanalyse

Wavelet - Transformation

Um diese Auswertemöglichkeiten zu realisieren, arbeitet das NORTEST 2080 mit Rechnerunterstützung. Damit kann dann nicht nur die Signalauswertung, sondern auch der Meßablauf rechnergesteuert erfolgen.

Die Auswertung der Messungen kann prinzipiell nach zwei Verfahren erfolgen : Man kann Signalverläufe, Spektren, F-Koeffizienten,Wavelet-Koeffizienten, Ergebnisse der Impulshöhen-analyse usw. als Diagramm visualisieren. Diese Möglichkeit wird beispielsweise bei der erstmaligen Neubearbeitung einer Meßaufgabe bevorzugt, um das beste Verfahren zu finden, welches am besten mit der Prüfgröße korreliert. Die nachstehenden drei Bilder zeigen Beispiele für solche Darstellungen. Die zweite Auswertemöglichkeit liefert direkt eine quantitative Meßgröße als Zahlenwert mit Dimension, bei einer Härtetiefemessung also z.B. EHT / mm. Dazu bietet das NORTEST 2080 eine menuegeführte Kalibriermöglichkeit mit Standards. Die Kalibrierung wird einmal durchgeführt und für spätere Verwendungen gespeichert. Die nachfolgenden Messungen erfolgen dann sehr schnell und zuverlässig bei einfachster Bedienung. Selbstverständlich liefert das Meßgerät dann auch aussagekräftige statistische Auswertungen der Messungen mit Protokollierung durch Drucker.

Haupt-Arbeitsebene der Software des Meßgerätes

Signal als Funktion der Magnetisierung an einem gehärteten Werkstück

mit Härtetiefe 0,6 mm

Koeffizienten einer Wavelet – Analyse. Bei verschiedenen Messaufgaben

 korrelieren bestimmte Koeffizienten am besten mit der Messgröße

Ergebnis einer 100 – Kanal – Impulshöhenanalyse; typischer Verlauf für gehärtete

 Werkstücke

Meßbeispiel : Messung der Härtetiefe von Werkstücken mittels

 Bestimmung von Ueff des Barkhausen- Rauschens