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Helmut Fischer GmbH
Institut für Elektronik und Messtechnik

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71069 Sindelfingen
Deutschland

Phasensensitives Wirbelstromverfahren

Metallische Schichten zuverlässig messen mit Wirbelstrom.

Die phasensensitive Wirbelstrommethode ist eine Abwandlung des amplitudensensitiven Wirbelstromverfahrens für die Schichtdickenmessung. Mit dem phasensensitiven Wirbelstromverfahren können gemäß ISO 21968 elektrisch leitende Beschichtungen auf beliebigen Untergründen geprüft werden, wie Kupfer auf Leiterplatten oder Nickel auf Stahl oder isolierendem Werkstoff. Das phasensensitive Wirbelstromverfahren ist wenig empfindlich gegenüber vielen äußeren Einflüssen. Beispielsweise beeinflussen Krümmung des Prüfteils oder die Rauigkeit der Oberfläche die Messung kaum – ein großer Vorteil gegenüber der Magnetinduktion oder dem amplitudensensitiven Verfahren. Deswegen eignen sich phasensensitive Sonden sehr gut, um ohne zusätzliche Kalibrierung die Zinkdicke auf Kleinteilen in der Galvanik zu prüfen.

So funktioniert das phasensensitive Wirbelstromverfahren.


Die phasensensitiven Wirbelstromsonden bestehen aus einem Ferritkern, um den zwei Spulen gewickelt sind. Ein Strom erzeugt in der Erregerspule ein hochfrequentes Magnetfeld (kHz-MHz-Bereich), welches in der Probe Wirbelströme erzeugt.

Mittels der zweiten Spule – der Messspule – wird der Wechselstromwiderstand (Impedanz) der Sonde gemessen. Diese Sondenimpedanz wird durch die Wirbelströme im Probekörper modifiziert und ist im Vergleich zum Erregerstrom (Sonde ohne Probe) phasenverschoben (Phasenwinkel φ).

Der Phasenwinkel φ hängt von der Schichtdicke und der elektrischen Leitfähigkeit des Materials ab. Bei bekannter Leitfähigkeit wird der Phasenwinkel im Gerät mit einer gespeicherten Kennlinie verglichen und in ein Schichtdickenwert umgewandelt.

Was passiert beim Lift-Off-Effekt?

Für die Schichtdickenmessung hat die phasensensitive Wirbelstrommethode einen großen Vorteil. Wie oben beschrieben, entsteht hier das eigentliche Messsignal direkt in der Beschichtung. Das unterscheidet das Verfahren wesentlich von der Magnetinduktion und dem amplitudensensitiven Verfahren, bei denen die Abschwächung des Signals aus dem Grundwerkstoff gemessen wird.

Aus diesem Grund muss die Sonde nicht unmittelbar auf die metallische Schicht aufgesetzt werden, sondern es können, wie z. B. bei der Duplex-Messung, auch Metallschichten unterhalb einer Lackierung gemessen werden.

Wo kommt dieses Verfahren zum Einsatz?

  • Schichtdickenmessung auf galvanischen Oberflächen und auf Leiterplatten, z. B.
    • Ni auf Fe
    • Zn oder Cu auf Fe
    • Cu auf Messing oder Bronze
    • Thermisch gespritzte Aluminiumschichten (TSA) auf Fe
    • Cu auf Leiterplatten
    • Cu in Bohrungen von Leiterplatten

Welche Faktoren können die Messung beeinflussen?

Alle elektromagnetischen Messverfahren sind vergleichend. Das bedeutet, dass das gemessene Signal mit einer im Gerät gespeicherten Kennlinie verglichen wird. Damit das Ergebnis richtig ist, muss die Kennlinie an die aktuellen Begebenheiten angepasst werden. Das geschieht mit einer Kalibrierung des Messgerätes für die Schichtdickenmessung.

  • Die richtige Kalibrierung macht’s

      Faktoren, die die Schichtdickenmessung nach dem phasensensitiven Wirbelstromverfahren stark beeinflussen können, sind vor allem die elektrische Leitfähigkeit und die Permeabilität der Werkstoffe. Kritisch ist zudem die Dicke des Prüfteils. Zusätzlich sollte der Bediener bei allen Messungen immer auf die korrekte Sondenposition achten.

  • Elektrische Leitfähigkeit

      Die Leitfähigkeit der Beschichtung und des Grundwerkstoffs bestimmen die Dichte der induzierten Wirbelströme und haben somit einen direkten Einfluss auf die Schichtdickenmessung. Deswegen muss das Gerät mit der korrekten Kombination aus Grundwerkstoff und Beschichtung kalibriert werden, nämlich mit den Materialien, auf denen später real gemessen werden soll.

  • Dicke des Prüfteils

      Bei metallischen Proben entstehen nicht nur im Schichtmaterial Wirbelströme, sondern auch im Grundwerkstoff. Ist der Grundwerkstoff sehr dünn (z. B. flaches Blech), ist darauf zu achten, dass die messfrequenz- und materialabhängige Mindestdicke gewährleistet ist.

  • Bedienung des Messgerätes

      Nicht zuletzt spielt es bei der Bestimmung der Schichtdicke auch eine große Rolle, wie das Schichtdickenmessgerät bedient wird. Achten Sie stets darauf, dass die Sonde gerade und ohne Druck auf die Beschichtung aufgesetzt wird. Je kleiner der Sondenpol, desto geringer der Einfluss durch Verkippen. Bei großem oder flachem Messpol ist der Einfluss entsprechend größer. Für eine bessere Präzision kann auch ein Stativ verwendet werden, mit dem die Sonde automatisch auf das Prüfteil abgesenkt wird. Zudem bieten wir für verschiedene Sonden Aufsetzhilfen, beispielsweise Prismen für gekrümmte Oberflächen.

      Grundsatz: Es wird immer auf dem unbeschichteten Teil auf der Messfläche kalibriert, auf der später auch die Schichtdicke gemessen wird!

Wichtig
Um fehlerhaften Messergebnissen entgegenzuwirken, müssen auch folgende Einflüsse beachtet werden:

  • Eindruckfehler bei besonders weichen Schichten (z. B. Phosphatschichten)
  • Mit Abnutzung des Sondenpols steigt die Streuung. Wir empfehlen regelmäßige Kontrollen durchzuführen.

Welche Norm kommt hier zur Anwendung?

Phasensensitives Wirbelstromverfahren nach ISO 21968