Folosirea Curentilor EDDY in Testarea Elementelor [PDF]

Zitiervorschau

Folosirea curentilor EDDY in testarea elementelor Curenții EDDY numiti si Foucault sau curenții turbionari sunt curenți electrici de conducție care sunt generați prin inducție electromagnetică în conductorii situați într-un câmp magnetic variabil. Fenomenul a fost observat pentru prima dată de François Arago în 1824, apoi explicat de Michael Faraday, de Heinrich Lenz, dar descoperirea se atribuie lui Léon Foucault (de unde și numele curenților), care în 1855 a observat că forța necesară rotirii unui disc de cupru este mai mare când acesta este plasat între polii unui magnet. Curenții turbionari pot fi puși în evidență prin următorul experiment: Între polii unui magnet puternic (de preferință electromagnet) se lasă să penduleze o placă metalică și se observă că oscilațiile acesteia se amortizează imediat. Dacă placa este înlocuită cu una crestată, oscilațiile se amortizează mai lent. Prin oscilație, placa intersectează liniile câmpului magnetic și în aceasta se generează curenți induși, care se închid în cercuri și înconjoară liniile câmpului magnetic. Curenții Foucault conduc la pierderi de energie prin efectul Joule, deci la micșorarea randamentului instalației electrice. Sunt bucle de curent electric indus în interiorul conductorilor de un câmp magnetic variabil în conductor, datorită legii inducției electromagnetice. Curenții turbionari circula în bucle închise în conductori, în planuri perpendiculare pe câmpul magnetic. Ele pot fi induse în apropiere de conductorii staționari datorita unui câmp magnetic variabil in timp creat de exemplu de un electromagnet CA(curent alternativ), transformator sau prin mișcarea relativă între un magnet și un conductor din apropiere. Magnitudinea curentului într-o anumită buclă este proporțională cu intensitatea câmpului magnetic, a ariei buclei, iar rata de schimbare a fluxului este invers proporțională cu rezistivitatea materialului. Prin Legea lui Lenz, un curent eddy creează un câmp magnetic care se opune câmpului magnetic creat initial si astfel curentii eddy se intorc inapoi in sursa câmpului magnetic. De exemplu, o suprafață conductoare apropiata va exercita o forță de tragere pe un magnet in mișcare care se opune fortei sale, datorită curenților eddy induși în suprafața de câmpul magnetic în mișcare. Aceste efecte sunt folosite în frânarea curenților eddy, care sunt folosite pentru a opri echipamentele electrice rotative cat mai repede atunci când acestea trebuie inchise. Curentul care curge prin rezistența conductorului de asemenea disipa energie sub formă de căldură în material. Astfel, curenții eddy(turbionari) sunt o sursă de pierdere de energie al curentului alternativ (CA), in inductoare sau in transformatoare, motoare și generatoare electrice, și in alte mașini de curent alternativ, care necesită construcție specială, cum ar fi miezuri magnetice laminate pentru a le minimiza. Curenți turbionari sunt, de asemenea, utilizati pentru a încălzi obiecte în cuptoare de încălzire cu inducție și echipamente, precum și pentru a detecta fisuri și defecte în piese metalice cu ajutorul testelor curenți turbionari.

1. Principiul de functionare

Campul magnetic alternativ generat de o bobina alimentata cu tensiune alternativa creaza curenti turbionari (Foucault) in placile conductoare plasate langa bobina. Adancimea de patrundere a campului magnetic in materialul conductor (efect pelicular sau efect skin) este data de relatia: d = [2/( · · )]1/2 . (1) unde :  = 2· ·f este pulsatia curentului alternativ;  = permeabilitatea magnetica a materialului conductor;  = conductivitatea electrica a materialului.

Metal

Conductivitate (x 106 S/m)

Conductivitate fata de Cu

 (µm) 10 kHz

 (µm) 100kHz

 (µm) 1 MHz

 (µm) 10MHz

Cupru

58

1.000

660

210

66

21

Aluminiu

38

0.655

820

260

82

26

Inox 304 SS

1,3

0.022

4400

1400

440

140

Aliaj titan

0,59

0.010

6600

2100

660

210

Plumb

5,26

Fier

11,2

Staniu

9,61

Prezenta curentilor turbionari se reflecta in impedanta bobinei excitatoare in mod similar cu reflectarea in primarul unui transformator a sarcinii din secundarul transformatorului. Un prim efect este cel datorat disiparii de energie prin efect Joule de catre curentii turbionari din cauza rezistivitatii materialului, ceea ce in caracteristicile bobinei excitatoare se manifesta prin cresterea rezistentei electrice (o rezistenta ce depinde de frecventa). Un al doilea efect al curentilor turbionari este cel al micsorarii inductantei bobinei excitatoare fiindca sensul curentului indus in material se opune variatiei curentului inductor, micsorand variatia fluxului

magnetic prin bobina. Efectul este vizibil apropiind de bobina metale diamagnetice sau slab paramagnetice. Daca apropiem de bobina metale feromagnetice ca fierul si nichelul acest efect este mascat de cresterea inductivitatii datorita cresterii permeabilitatii magnetice a mediului. Daca adancimea de patrundere este mai mare decat grosimea materialului atunci dispozitivul se poate folosi pentru masurarea grosimii stratului metalic, in caz contrar poate fi folosit pentru aprecierea diametrului conductoarelor plasate pe axa bobinei sau a distantei dintre bobina si corpul metalic (detector de metale). 2. Montajul experimental Montajul experimental consta dintr-o bobina (cu sau fara miez) legata de bornele unui inductantmetru. 3. Modul de lucru  

Se masoara inductanta bobinei cu aparatul de masura . Se aseaza peste bobina placute de aluminiu de diverse grosimi, masurandu-se inductanta de fiecare data.



Se repeta procedura cu placute de cupru, plumb, fier.



Se reface experimentul folosind bobina cu miez de ferita.

4. Analiza rezultatelor Se calculeaza adancimea de patrundere cu formula (1) pentru materialele folosite. Se reprezinta grafic inductanta in functie de raportul dintre grosimea materialului si adancimea de patrundere. 5. Rezultate experimentale se trec intr-un tabel de forma: Nr. crt.

L

x

(mH)

(mm)

Observatii

PRODUCEREA CURENTILOR TURBIONARI Acesti curenti indusi iau nastere in mase metalice, care se afla in cîmpuri magnetice variabile sau se miscă în campuri magnetice consolate. Intre polii unui electromagnet puternic N S se lasa sa penduleze o placa metalica A. Oscilatiile ei se amortizeaza imediat. Înlocuind placa A cu alta placă crestată A oscilatiile ei se amortizeaza lent. Oscilînd, placa intersecteaza liniile cîmpului magnetic si în ea se nasc curenti indusi; acestia se inchid in cercuri, care inconjoara liniile campului magnetic. CURENTII FOUCAULT IN TEHNICA 1. Curentii turbionari sunt folositi pentru posibilitatea de frînare electromagnetică, la amortizarea oscilatilor acului indicator al instrumentelor de masura, la reglarea mersului uniform al discului contorului electric. 2. Formarea curentilor Foucault în conductoare masive are ca urmare încalzirea puternică a acestora. Fenomenul se poate ilustra lăsînd sa treacă un curent alternativ timp de un minut printr-o bobină cu miez masiv de fier. Bara se incălzeşte. Acest fenomen se foloseste la calirea pieselor, la topirea metalelor etc. 3. Procesul de incalzire a conductoarelor masive este însa dăunător în multe cazuri. Astfel, nu este permisă încalzirea miezurilor transformatoarelor, al masinilor rotative, al bobinelor. Pentru a se evita aparitia curentilor turbionari de intensitate mare, se construiesc miezuri din placi subtiri izolate intre ele. Intrucat crestereara rezistivitati materialului este importanta pentru diminuarea intensitatii curentilor turburari, tolele se fabrica din fier cu siliciu. Substantele feromagnetice utilizate pentru miezurile bobinelor de înalta frecventa au rezistivitate mare.

EXAMINAREA PRIN CURENTI EDDY (Eddy Current Testing)

Se bazeaza pe fenomenul de inductie electromagnetica, respective pe curentul electric care apare intr-un material conductor aflat in camp magnetic. • Se pot sorta materiale, se pot masura dimensiuni de tuburi, placi, bare, grosimi de acoperiri. • Factorii care influenteaza curentii Eddy: frecventa de test, conductivitatea electrica , permeabilitatea magnetica, dimensiunile, temperatura.

• Frecventa determina adancimea de penetrare a curentilor Eddy in material (densitatea liniilor de curent scade cu departarea de suprafata); o valoare mare a frecventei asigura o senzitivitate mai mare la defecte, dar pot fi interceptate mai usor si zgomotele nedorite. • Adancimea standard de penetrare se considera cand intensitatea curentilor a scazut la 37% din valoarea de la suprafata.

Cum se realizeaza detectia fisurilor? • Curentii Eddy genereaza in materialul conductor un camp secundar, care se opune si modifica campul primar (faza si amplitudinea). Variatiile curentului din primar sunt analizate in prezenta fisurilor. • Tehnica prin scanare este folosita pentru detectia fisurilor la structuri de tip tub: schimbatoarele de caldura sunt verificate periodic, urmarindu-se daca au aparut fisuri si daca acestea pot sau nu afecta functionarea echipamentului respectiv. • Pentru a se obtine rezultate reproductibile este necesara o calibrare standard (pentru inspectia schimbatoarelor de caldura se folosesc tuburi pe care se practica diferite defecte).

Senzitivitatea metodei depinde de: materialul structurii, tipul si orientarea defectului, adancimea la care se afla, conditiile de suprafata (rugozitate, tip invelis), etc. • Metode avansate de tip ECT: - sistemul magneto-optic (magneto-optic imaging MOI), utilizat pentru controlul coroziunii in structuri de aviatie.; - pulse eddy current testing (PECT) - low frequency eddy current testing (LFECT)

Metoda MOI: lumina polarizata plan este transmisa prin sticla paralel cu campul magnetic indus, ceea ce determina rotirea planului de polarizare. Gradul de rotatie este influentat de variatiile de camp magnetic si de aici, de prezenta defectelor in material. Se pot examina suprafete mari din structuri: fuselajul avionului, aripa, ampenaje; se pot detecta fisuri aparute in urma fenomenului de oboseala sau coroziunii.

Atentie: se pot detecta defecte la suprafata, dar nu stim ca nu sunt alte discontinuitati in profunzimea materialului !

LFECT a fost dezvoltata la Fraunhofer Institute of NDT, Germany, pentru controlul recipientilor sub presiune de la reactoare nucleare (grosimea invelisului de protectie si defectele din invelis), in detectia fisurilor la oboseala din panouri de invelis, a coroziunii de pe fata ascunsa a invelisului, a discontinuitatilor din structuri multi-strat.

Această metodă este utilizat pe scară largă pentru a detecta defecte de suprafață, pentru a sorta materiale, pentru a măsura pereți subțiri pe o suprafață numai sau pentru a măsura acoperiri subțiri și în unele aplicații pentru a măsura o adâncime. Această metodă este aplicabilă numai pentru materiale bune conducătoare de electricitate. La aceasta metoda curenții sunt produsi în element prin aproapierea de o sursa de curent alternativ cu bobina. Câmpul magnetic alternativ al bobinei este modificat prin câmpurile magnetice ale curentilor eddy. Această modificare, care depinde de condiția din apropierea la bobina, este apoi prezentata ca o citire a contorului acorda pe baza principiilor de testare cu curenți turbionari.Mai jos ne este prezentata cum se genereaza curentii eddy in element si dupa aceea distributia acestora in cazul unei defectiuni in material.

Aceasta metoda se poate folosi pentru: -pentru detectarea defectelor în tuburi; -pentru a sorta materiale; -pentru a masura grosimea unui perete pe o suprafata; -pentru masurarea acoperirilor subtiri in diferite cazuri; -pentru a masura adancimea in diferite cazuri; Avantajele folosirii curentilor eddy: -nu are nevoie de cuplant; -acesta ofera raspuns instantaneu; -se poate instala usor fara complicatii; -este extrem de sensibil la defecte; -se pot continua experimentele fara a necesita un timp de repaus; -se poate scana cu viteza mare; -este foarte precis pentru analiza dimensională pentru defecte sau grosimii de acoperire; Unele dintre limitările de testare cu curenți turbionari sunt următoarele: -teoria presupune o baza buna academică în principiile electrice și matematica; -extrem de sensibile la variațiile de suprafață și, prin urmare, necesită o suprafață neteda cat mai uniforma; -acesta este aplicabil numai pentru materiale conductoare de curent; -poate fi folosit pe materiale non-magnetic și magnetic, dar nu este de încredere pe oțel carbon pentru detectarea defectelor interioare. -adancimea de penetrare a undelor este limitata; -etanseitatea fisurilor si orientarea curentilor eddy pentru o fisura liniara discontinua pot afecta detectabilitatea imperfectiunilor;