Kompakte Induktionsspulen als berührungslose elektromagnetische Ultraschallwandler
In dieser Arbeit werden kompakte Induktionsspulen als berührungslose elektroma-
gnetische Ultraschallwandler (EMATs) ohne zusätzliche Magnete untersucht. Im Vergleich dazu sind klassische, kommerziell verfügbare EMATs auf die Verwendung von voluminösen Permanentmagneten oder separaten Elektromagneten angewiesen. Die Vorteile der EMATs ohne zusätzliche Magnete sind höhere magnetische Flussdichten lokal am Wirkungsort, keine störende Anziehung von ferromagnetischen Fremdobjekten und deutlich kleinere Sensorköpfe, was eine wichtige Voraussetzung für die Herstellung von kompakten EMAT-Phased-Arrays ist.
Die Umsetzung solcher EMATs stellt eine Herausforderung dar, weil die Elektronik
für die Ultraschallerzeugung mit Spannungen und Strömen im kV- und kA-Bereich
umgehen muss. Aufgrund des bei EMATs generell geringen Wirkungsgrads müssen beim Ultraschallempfang Signale im unteren µV-Bereich detektiert werden. Gleichzeitig dürfen keine Störungen durch die impulsartigen kA-Ströme entstehen und die relativ kleinen EMAT-Induktoren, die als Sensorköpfe dienen, müssen den oft wiederholten kA-Impulsen standhalten.
Für die Auslegung von EMATs ohne zusätzliche Magnete werden Modellbildungen für die Magnetfeld- und Schallfeldberechnung gezeigt. Als Demonstrationsszenario wird eine 3D-Lokalisierung einer Inhomogenität im Inneren eines mit Flüssigkeit gefüllten dickwandigen Metallbehälters ohne mechanischen Kontakt zum Behälter (1 mm Luftspalt) erfolgreich durchgeführt. Weiterhin wird eine berührungslose Kantenabtastung einer ferromagnetischen Stahlplatte mit unidirektionalen Lamb-Wellen präsentiert. Die Lamb-Wellen werden mit kontrollierten Interferenzeffekten unidirektional ausgesendet und empfangen. Der kompakte Aufbau des phasengenauen Doppel-EMATs bestätigt die Machbarkeit von Phased-Arrays.
Des Weiteren wird gezeigt, wie der Ultraschallempfang mit einem EMAT auf einem
ferromagnetischen Prüfkörper ohne eine aktive Magnetisierung (Bias-Magnetfeld) möglich ist. Somit wird die Problematik des zeitlich begrenzten (µs-Bereich) Bias-Magnetfeldes gelöst, wodurch sich deutlich längere (ms- bis s-Bereich) Empfangszeitfenster realisieren lassen. Ohne die Verwendung einer aktiven Magnetisierung entfallen auch Probleme wie das Auftreten von Barkhausenrauschen oder Signalstörungen durch Schaltvorgänge von Dioden zum Schutz vor Polaritätsumkehr der Elektrolytkondensatorbänke. Es entstehen mehr Freiheitsgrade, wodurch neuartige EMAT-Konzepte vorstellbar
sind, die flächige Induktoren und Ferritrückplatten mit hohen relativen Permeabilitätszahlen verwenden.
gnetische Ultraschallwandler (EMATs) ohne zusätzliche Magnete untersucht. Im Vergleich dazu sind klassische, kommerziell verfügbare EMATs auf die Verwendung von voluminösen Permanentmagneten oder separaten Elektromagneten angewiesen. Die Vorteile der EMATs ohne zusätzliche Magnete sind höhere magnetische Flussdichten lokal am Wirkungsort, keine störende Anziehung von ferromagnetischen Fremdobjekten und deutlich kleinere Sensorköpfe, was eine wichtige Voraussetzung für die Herstellung von kompakten EMAT-Phased-Arrays ist.
Die Umsetzung solcher EMATs stellt eine Herausforderung dar, weil die Elektronik
für die Ultraschallerzeugung mit Spannungen und Strömen im kV- und kA-Bereich
umgehen muss. Aufgrund des bei EMATs generell geringen Wirkungsgrads müssen beim Ultraschallempfang Signale im unteren µV-Bereich detektiert werden. Gleichzeitig dürfen keine Störungen durch die impulsartigen kA-Ströme entstehen und die relativ kleinen EMAT-Induktoren, die als Sensorköpfe dienen, müssen den oft wiederholten kA-Impulsen standhalten.
Für die Auslegung von EMATs ohne zusätzliche Magnete werden Modellbildungen für die Magnetfeld- und Schallfeldberechnung gezeigt. Als Demonstrationsszenario wird eine 3D-Lokalisierung einer Inhomogenität im Inneren eines mit Flüssigkeit gefüllten dickwandigen Metallbehälters ohne mechanischen Kontakt zum Behälter (1 mm Luftspalt) erfolgreich durchgeführt. Weiterhin wird eine berührungslose Kantenabtastung einer ferromagnetischen Stahlplatte mit unidirektionalen Lamb-Wellen präsentiert. Die Lamb-Wellen werden mit kontrollierten Interferenzeffekten unidirektional ausgesendet und empfangen. Der kompakte Aufbau des phasengenauen Doppel-EMATs bestätigt die Machbarkeit von Phased-Arrays.
Des Weiteren wird gezeigt, wie der Ultraschallempfang mit einem EMAT auf einem
ferromagnetischen Prüfkörper ohne eine aktive Magnetisierung (Bias-Magnetfeld) möglich ist. Somit wird die Problematik des zeitlich begrenzten (µs-Bereich) Bias-Magnetfeldes gelöst, wodurch sich deutlich längere (ms- bis s-Bereich) Empfangszeitfenster realisieren lassen. Ohne die Verwendung einer aktiven Magnetisierung entfallen auch Probleme wie das Auftreten von Barkhausenrauschen oder Signalstörungen durch Schaltvorgänge von Dioden zum Schutz vor Polaritätsumkehr der Elektrolytkondensatorbänke. Es entstehen mehr Freiheitsgrade, wodurch neuartige EMAT-Konzepte vorstellbar
sind, die flächige Induktoren und Ferritrückplatten mit hohen relativen Permeabilitätszahlen verwenden.