INTRODUCCION A LA TECNICA DE EDDY CURRENT (Corrientes Inducidas)

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.

Comparación con otras técnicas

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.

Influencia de la frecuencia sobre la impedancia de la bobina.

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).

Patrones de referencia

Patrones de referencia (detección de discontinuidades)

Patrones de referencia (detección de espesores de pinturas no conductivas)