introduccion a la tecnica de eddy current 2013
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Principio aplicaciones y limitaciones del método
- El método de corrientes inducidas se basa en la aplicación del principio de inducción electromagnética.
- Se emplea para la identificar o diferenciar una amplia variedad de propiedades físicas, estructurales y metalúrgicas de materiales conductores.
- Por ser la energía electromagnética la utilizada en el método no será necesario el contacto directo entre el elemento a inspeccionar y el sensor a utilizar (no se necesitan elementos de acople).
Aplicaciones y limitaciones
- Detección de discontinuidades superficiales con aplicaciones limitadas para aquellas cercanas a la superficie (sub superficiales).
- Corrosión en recubrimientos de aeronaves- Corrosión debajo de remaches de fuselaje y alas- Discontinuidades en orificios, espesores de tubos y en la
soldadura de ellos.- Determinación de cambios de los tratamientos térmicos
(cambios en la conductividad eléctrica), dureza, etc.- Medición de espesores de recubrimientos (no conductores) de
materiales conductores.- Determinación de la composición química.
- No aplicable a detección de discontinuidades muy profundas. - Espesores no mayores a 5 mm.
Generación de las corrientes inducidas, de Foucault o de fuga en los materiales
En la naturaleza los campos eléctricos y campos magnéticos siempre se acoplan
I
ΔE
B
Una alteración temporal del campo eléctrico (ΔE/Δt, corrientes de desplazamiento de Maxwell) resulta en un anillo B de campo magnético alternado
E (fuerza electromotriz)
Cuando el campo magnético es atravesado por un conductor alteraciones del campo magnético (ΔB/Δt, ley de inducción de Faraday) se traducen en un anillo E del campo eléctrico (E se lo llama fuerza electromotriz). Estas corrientes circulares de Foucault crean electroimanes con campos magnéticos que se oponen al campo magnético aplicado (Ley de Lenz).
ΔB/ Δt
Bs: campo magnético secundario opuesto al
primarioBp
Cuanto más fuerte es el campo magnético aplicado, o mayor la conductividad eléctrica del conductor, o mayor la velocidad relativa de movimiento de los electrones (campo alternado, frecuencia), mayores serán las corrientes de Foucault y los campos opuestos generados.
A frecuencias cada vez mayores
la densidad absoluta de corrientes
de Foucault en la superficie del
material aumenta, aumentando el
flujo del campo magnético
secundario generándose un mayor
blindaje a la penetración en el
material (Skin-effect).
Principio de aplicación de la técnica de Eddy Current
Se basa en poner al material a ensayar en un estado físico adecuado de energía donde esta fluye en el material. Los defectos e irregularidades causan anomalías en el flujo de energía y éstas anomalías pueden ser detectadas de forma externa sin penetrar destructivamente en el material.
Corriente de excitación
Bp
Bs
Eddy current
Bobina de inducción (forma adecuada, diferentes tipos, CA).
Esta tiene una resistencia baja, tendrá una cierta inductancia (Lo) ya que circula por ella una CA. La impedancia será la combinacion de la resistencia y reactancia inductiva (Xlo) por lo tanto tendrá una impedancia Zo.
La inductancia o coeficiente de auto inducción (propio de cada solenoide) expresa la capacidad para producir auto inducción.
En vacío (sin presencia de un conductor) la impedancia se puede considerar igual a la reactancia inductiva (constante si no cambia el núcleo de la bobina). Genera campo magnético (primario).
Cuando el campo primario se acerca al material se inducen corrientes parásitas que generan campo magnético opuesto (campo secundario) al campo primario. Además, por efecto joule, se generan pérdidas ohmicas, aumenta la resistencia de la bobina.
Ambos campos interactúan, el opuesto debilita al campo primario, este efecto reduce la inductancia de la bobina respecto a la obtenida en vacío (Lo), tomando un valor L menor a medida que aumentan las corrientes de Foucault. Es como tener una nueva bobina de resistencia R y reactancia inductiva XL, (nueva impedancia).
Irregularidades (inclusiones, materiales diferentes al material base, TT, discontinuidad, corrosión, etc) obstruye la circulación corrientes inducidas disminuyendo su intensidad y aumentando la inductancia (reactancia inductiva) de la bobina+material (L).
Esta es la base de la técnica
Si la bobina se desplaza sobre una placa de metal a una distancia A constante, como se muestra a continuación, se generarán cambios momentáneos en la impedancia de la bobina y en la corriente que circula por ella al pasar sobre una grieta o defecto.
Estos cambios serán amplificados y se presentarán en un instrumento (indicación digital o de aguja)
L0
AZ
Ventajas- Con/sin contacto entre la bobina de inducción y material
(ej. Materiales conductores pintados)- Anomalías generadas por la circulación de las corrientes
se detectan por medios electrónicos.
Instrumentos simples no se utilizan en la práctica sólo serían capaces de indicar defectos muy grandes.
Instrumentos modernos son considerablemente más elaborados, veremos el principio de funcionamiento.
Influencia de la conductividad eléctrica del material sobre la impedancia de la bobina (distancia A nula o factor de llenado 1)
Inicialmente consideramos una bobina ideal, sin resistencia óhmica (sin pérdidas por resistencia), hay solo inductancia.
σ conductividad eléctrica.
Impedancia de la bobina en el
plano complejo se muestra como
función de la conductividad del
material a ensayar a una
distancia A constante (Lift off).
Material es no conductor (conductividad eléctrica 0): no se generan corrientes parásitas, inductancia (L0) sin cambios (punto P1).
Material conductividad eléctrica finita: se generarán corrientes parásitas y pérdidas óhmicas. Aumento de la componte óhmica, reducción simultánea de la componente inductiva. Aumento de la conductividad eléctrica: el punto de funcionamiento se desplaza de P1 a P2.
Conductividad eléctrica elevada (hipotéticamente infinita, superconductor): no habrá pérdidas óhmicas, la componente óhmica de la impedancia de la bobina desaparecerá. Flujo de las corrientes de Foucault elevados al igual que el campo que estas generan. Reducción considerable de inductancia de la bobina (punto P3).
La conductividad tiene una influencia determinante en la impedancia de la bobina cuando está en la vecindad
de un material conductor
Influencia de la separación /Lift-off) (bobina-material) sobre la impedancia de la bobina
La distancia A entre la bobina y el material conductor también modifica la impedancia.
En la siguiente imagen se observan curvas con valores constantes de A (lift off).
P1, inicio: bobina muy alejada, no hay inducción de corrientes, la impedancia de la bobina no se modifica.
Si A varía desde valores elevados, a través de valores finitos, hasta el valor 0 (no se puede obtener en la práctica), las curvas de impedancia continuarán expandiéndose hasta el origen.
Con conductividad muy elevada y A idealmente 0 (factor de llenado 1) no habrá componente óhmica en la impedancia, se tendrán corrientes elevadas. El acoplamiento de la bobina con el material será ideal y el campo de generación primario estará completamente cancelado por el campo secundario de las corrientes parásitas. Esto significa que la bobina tampoco tendrá ninguna reactancia inductiva, es decir, inductancia efectiva será 0.
Si se obtiene, por calibración, la variación de la impedancia en función de la separación (Lift-off) (curva A1-A2-A), se podrá determinar con precisión el recubrimiento no conductores (pinturas, plásticos, etc) sobre metales.
Podemos concluir que:
La distancia entre la bobina y material a ensayar tiene una influencia importante sobre la impedancia de la
bobina
Influencia de las discontinuidades sobre la impedancia de la bobina-material.
En la detección de defectos el objetivo no es medir la conductividad o la distancia A sino la influencia de los defectos del material sobre la impedancia de la bobina
Si la bobina pasa por una discontinuidad su impedancia cambia con un valor específico y con una determinada dirección del vector impedancia.
Si por otro lado el valor de la impedancia cambia debido a la distancia entre la bobina y la superficie, el vector cambia en otra dirección.
Este efecto es muy significativo. Mediante ayudas electrónicas se puede evaluar los efectos de un
defecto en preferencia a otros efectos
Materiales baja conductividad
eléctrica se tornan difíciles de
evaluar frente a materiales con
Alta conductividad en cuanto al
cambio de impedancia por
presencia de discontinuidades.
Ambas variables ejercer la misma influencia sobre la impedancia. La impedancia reacciona a un aumento de la conductividad eléctrica del mismo modo que a un aumento de la frecuencia.
Del punto de vista práctico no se trabaja con la conductividad eléctrica sino con la frecuencia de ensayo que puede ser calculada o bien determinada por medio del uso de patrones.
Consideraciones con materiales ferromagnéticos
Permeabilidad magnética influye sobre el campo magnético de la bobina (concentrándolo) aumentando la reactancia de ella. Es decir es un campo mas fuerte que eclipsa el campo generado por las corriente de Eddy.
Sistema de bobina para inspección de elementos cilíndricos (throughput o encircling coil)
La influencia de la separación entre el material y la bobina (caso visto anteriormente) se corresponde con el factor de llenado (encircling coil).
Grado o factor de llenado: relación entre la sección transversal de material de prueba respecto al de la bobina (factor de llenado pequeño o de llenado grande)
Bobinas (cabezales o probes)
Bobina Absoluta: una sola bobina se pone en contacto con el material a inspeccionar.
Bobina Diferencial: dos bobinas son utilizadas, una es la de excitación y otra de medición. Pueden estar contenidas en un mismo cabezal o separadas.
Determinación de la profundidad estándar o efectiva de penetración de las corrientes de Eddy
δ = penetracion (mm)f = frecuencia (Hz)µ0= permeabilidad mag vacio (H/mm)µr= permeabilidad mag. relativaσ= Conductividad eléctrica (% IACS o Siemens/m)
Conductividad eléctrica
Su valor está referido o expresado en porcentaje de IACS (International Anneled Copper Standard)
Los equipos están calibrados en % IACS.
Por ejemplo para aleación de aluminio (30 a 40% IACS), dimensiones de fisuras entre 1,52 a 3,4 mm de largo ubicadas entre 0,48 mm a 2,48 mm de profundidad, se recomiendan frecuencias de inspección entre 100 y 500 kHz.
Mediciones de la conductividad eléctrica
Se ve influenciada por: tratamiento térmico, recubrimiento aplicado y geometría de la pieza. Las lecturas de conductividad están en %IACS y son equipos especiales para este propósito.
Pueden presentar indicaciones calibradas (caso de la conductividad) o bien presentar un display mas flexible el cual se calibra
Tratamiento térmico
Cambio de la conductividad del material 7075 por efecto de los diferentes tratamientos térmicos (dureza).
Para convertir IACS
a m/Ω/mm2 dividir por
1,7241
Tabla de conductividades eléctricas de aleación de aluminio 7075 con diferentes tratamientos térmicos
Recubrimiento
Clad (recubrimiento conductor): es una técnica que afecta la medición de la conductividad eléctrica del material base y esta relacionado con el espesor del clad. Se deben hacer ensayos si bien se tienen documentos de referencia.
Pinturas: gruesas capas de pintura afectan la relación entre el cabezal y la superficie a inspeccionar, por lo tanto la determinación de la conductividad eléctrica.
Geometría
La forma de las piezas, cambio en su configuración, afecta la distribución de las corrientes de Eddy. Espesores y curvaturas son dos de las fuentes mas grandes de lecturas erróneas.
Equipos de Eddy Current
Digitales y analógicos
Digitales
Diseñados (en general) para
determinar características
específicas de un componente
Como: conductividad eléctrica
o espesor del recubrimiento no conductor.
Estos equipos tienen una precisión ligeramente superior que los dispositivos analógicos
Analógicos
Pueden ser utilizados diferentes aplicaciones tales como: detección de discontinuidades, mediciones de espesor de material, mediciones de espesores revestimiento no conductores o conductores.
Equipos portátiles
Son otra categoría de
instrumentación y presentan
los datos de inspección en
forma de diagrama de impedancia
Se presenta un equipo portátil digital con un cabezal adecuado para el análisis de discontinuidades sobre una zona (hombro) de llanta (avión).