Processo de Pedido de Patente e de Desenho para Sonda de Correntes de Eddy

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1 Instituto Superior Técnico Departamento de Engenharia Mecânica Secção de Tecnologia Mecânica Av. Rovisco Pais Lisboa Portugal Processo de Pedido de Patente e de Desenho para Sonda de Correntes de Eddy Título: Sonda de Ensaios Não Destrutivos por Correntes de Eddy Domínio Técnico: Engenharia Mecânica Ensaios Não Destrutivos Autores: Telmo Jorge Gomes dos Santos Pedro Miguel dos Santos Vilaça da Silva Lisboa, IST, Outubro de 2007

2 Índice Índice... 2 Resumo... 3 Descrição da Invenção... 4 Reivindicações Desenhos Técnicos Legendas das Figuras Contacto dos Inventores

3 Resumo Título: Sonda de Ensaios Não Destrutivos por Correntes de Eddy A presente invenção consiste numa nova sonda de correntes de Eddy, para aplicação em Ensaios Não Destrutivos, que tem como objectivo aumentar a capacidade de detecção dos defeitos com dimensão ou morfologia de difícil detecção, por via da eliminação do efeito de lift-off e da proximidade da sonda com a superfície do material a inspeccionar. A sonda caracteriza-se por uma concepção inovadora, com uma bobina de excitação toroidal, e uma bobina sensível espiral plana perpendicular à primeira e paralela à superfície de inspecção, o que elimina o ruído do sinal causado pela variação da sua posição relativamente ao material a inspeccionar, e permite detectar defeitos que seriam mascarados pelo ruído do lift-off. Outra vantagem da sonda é a possibilidade de inspeccionar os bordos do material, e também operar segundo um método de inspecção baseado na análise do sinal durante um movimento de rotação de 360º da sonda sobre si própria, permitindo a detecção de defeitos com qualquer tipo de orientação. 3

4 Descrição da Invenção Domínio Técnico da Invenção Engenharia Mecânica / Ensaios Não Destrutivos (END) Estado da Arte Princípio de funcionamento das sondas de END por correntes de Eddy O ensaio de correntes induzidas (denominado na terminologia inglesa por correntes de Eddy e na francesa por correntes de Foucault) é um método de Ensaios Não Destrutivos (END) que se baseia no fenómeno da indução electromagnética como base do seu princípio de funcionamento. O método consiste na medição da variação da impedância eléctrica aos terminais de uma bobina, que constitui a sonda, quando sujeita a um campo magnético. As várias grandezas eléctricas envolvidas representam-se na Figura A. Figura A Representação esquemática do vector impedância eléctrica Na sua variante convencional, o método usa uma sonda constituída por uma bobina espiral helicoidal cilíndrica, a qual sendo percorrida por uma corrente eléctrica alternada, cria um campo magnético primário (Figura B1), que por sua vez induz uma corrente eléctrica numa peça condutora que seja colocada nas suas vizinhanças (Figura B2). A corrente induzida na peça, como qualquer corrente eléctrica, cria um campo magnético secundário H que contraria o campo primário H (Figura B3). S Nestas condições, tanto a corrente primária como o campo magnético H P P 4

5 primário H P condutora. reduzem-se, quando comparados com os que se obtém na ausência de peça H P corrente induzida H S 1) 2) 3) Figura B Princípio da inspecção por correntes de Eddy Seguindo o mesmo raciocínio, a existência de um defeito no material condutor irá afectar a trajectória das correntes induzidas, o que implica alterações no campo secundário e consequentemente um menor efeito de oposição ao campo primário, H S que se traduzirá pela variação da impedância da bobina. Esta variação é equivalente a um aumento da resistência e a uma alteração da indutância primária e permite detectar defeitos, fissuras e corrosão. H P Indutância [H] Defeito Lift-off Ar Aço Condutividade Materiais magnéticos Materiais não magnéticos Lift-off Defeito Condutividade Alumínio Resistência [ Ω ] Figura C Plano de resposta típico da impedância das correntes de Eddy A Figura C ilustra a evolução da impedância para diferentes materiais e condições de ensaio. É com base neste diagrama que se avalia a integridade dos materiais que se pretende inspeccionar. Para o caso concreto do alumínio, pode verificar-se que na presença de uma descontinuidade no material, a impedância da bobina que constitui a sonda será alterada no sentido de uma diminuição da resistência e aumento da indutância. 5

6 Limitações das sondas convencionais de correntes de Eddy Um dos principais problemas das sondas de correntes de Eddy para a detecção de defeitos em END é o efeito de lift-off, ou seja, a variação do sinal da sonda (impedância eléctrica) provocado por alterações da posição da sonda relativamente à superfície do material a inspeccionar. Se o defeito for de dimensão ou morfologia de difícil detecção, esta variação da impedância devida ao lift-off pode ser superior à variação devida à diminuição da condutividade pela existência desse defeito. Nestas condições o sinal do defeito é absorvido pelo sinal do lift-off e a sua localização ou dimensionamento fica impossibilitada. Para contornar este problema, é prática comum seleccionar-se os parâmetros de funcionamento da sonda que provocam um aumento do ângulo de separação entre a linha de lift-off e a linha de condutividade σ (Figura D1). Este procedimento torna as variações ao longo da linha de condutividade dependentes apenas de Abs(Z ), mantendo Arg (Z ) praticamente constante, e vice-versa para variações ao longo da linha de lift-off. Desta forma, a única variável relevante para a detecção dos defeitos é o comportamento de Abs (Z ), já que esta grandeza é a única que é alterada pela influência que o defeito tem na condutividade local do material. Quaisquer variações do lift-off irão provocar apenas alterações na grandeza de Arg(Z ) são ignoradas. Arg (Z ) e não em Abs (Z ), pelo que as variações lift-off f Im (Z) Im (Z) 1) Re (Z) σ Re (Z) 2) Figura D Evolução da impedância complexa em diferentes situações Frequências de funcionamento Estas condições de inspecção correspondem a frequências de funcionamento da sonda para as quais a impedância toma os valores indicados na Figura D2. No entanto esta metodologia apresenta duas desvantagens importantes: 6

7 1) A detecção de defeitos baseada apenas nas variações de Abs (Z ), sem ter em conta as variações de Arg(Z ) dada a sua forte dependência com o lift-off, leva a que o método de END com as sondas convencionais de correntes de Eddy não possa ser usado como meio de dimensionamento dos defeitos, já que esta possibilidade está associada ao comportamento de. Arg(Z ) 2) As frequências de funcionamento usadas para tornar as variações ao longo da linha de condutividade dependentes apenas de Abs (Z ) mantendo Arg (Z ) praticamente constante, diferem de sonda para sonda, o que leva à existência de uma frequência própria de funcionamento para cada sonda. Por outro lado, sendo a profundidade de penetração δ (Eq. 1) função da frequência, significa que cada sonda se encontra limitada a uma profundidade de inspecção determinada. A profundidade de penetração δ [m] (corresponde à profundidade em que a densidade de corrente se reduz a 1 e % superfície), sendo dada pela Eq. 1, onde f [s permeabilidade magnética ( μ = μ0μ r relativamente ao valor da densidade à -1 ] é a frequência, μ [H.m -1 ] é a ), e σ [%IACS] é a condutividade eléctrica. 1 δ ( f, μ, σ ) = (1) π fμσ Patentes relacionadas com sondas de correntes de Eddy Desde da 2ª Guerra Mundial, tem havido o desenvolvimento várias configurações de sondas e equipamentos de inspecção por correntes de Eddy, existindo actualmente muitas soluções construtivas de sondas, ajustadas aos diferentes objectivos de inspecção. Pode classificar-se as diferentes sondas quanto ao modo de funcionamento como absolutas ou diferenciais, quanto ao modo de recepção como de dupla função ou emissão-recepção, quanto ao tipo como internas ou externas. Exemplos de diferentes configurações de sondas de correntes de Eddy patenteadas nos EUA são: US 7,012,425B2, US 6,288,537B1, US 6,339,326B1, US 6,114,849, US 6,288,536B1, US 6,344,739B1, US 6,914,427B2, US 7,015,690B2, US 7,078,895B1. Outros exemplos de patentes europeias são: EP A1, EP A1, EP A1, EP A1. Exemplos de patentes de sondas baseadas em bobinas espirais planas são: US 5,015,951 e US 5,453,689. 7

8 Descrição Pormenorizada da Invenção A presente invenção consiste numa nova sonda de correntes de Eddy, para aplicação em Ensaios Não Destrutivos (END) de materiais condutores de corrente eléctrica, que tem como objectivo aumentar a capacidade de detecção dos defeitos com dimensão ou morfologia de difícil detecção, por via da eliminação do efeito de lift-off e da proximidade da sonda com a superfície do material a inspeccionar. A sonda caracteriza-se por uma concepção inovadora constituída por 8 componentes (Figuras 1,2,3,4), para os quais se adoptou a seguinte nomenclatura: 1) Bobina de excitação toroidal; 2) Bobina sensível espiral plana; 3) Suporte das bobinas; 4) Suporte da bobina de excitação; 5) Terminais da bobina sensível, 6) Chassis, 7) Tampa, 8) Ligações eléctricas. A ideia mestra desta concepção consiste em criar uma independência entre o sinal da sonda e o campo das correntes induzidas em um material perfeitamente homogéneo, ou seja, livre de defeitos. Isto significa obter um sinal constante aos terminais da sonda, independentemente da condutividade global do material homogéneo e da posição da sonda relativamente ao mesmo material (lift-off), quer esta se encontre no ar ou junto dele. Este comportamento é conseguido por via do traçado especial da Bobina sensível espiral plana (2) (Figura 4), e pela sua posição relativa à Bobina de excitação toroidal (1) (Figura 2 e 3) e ao material a inspeccionar (Figura 1). O perfil simétrico da Bobina sensível espiral plana (2), formado por um traçado simétrico de duas espirais em forma de semicircunferência, com enrolamento em sentidos opostos (Figura 4), cria um efeito de compensação da corrente induzida em cada uma das semicircunferências. Assim, a corrente que é induzida pela Bobina de excitação toroidal (1) na semicircunferência direita da Bobina sensível espiral plana (2) tem a mesma intensidade e o sentido oposto da corrente induzida na semicircunferência esquerda, o que resulta num equilíbrio de correntes que gera uma diferença de potencial (ddp) nula aos terminais da Bobina sensível espiral plana (2). Este equilíbrio de correntes ocorre igualmente quando a indução é provocada pelas correntes de Eddy que circulam no material homogéneo. Deste modo a ddp aos terminais da Bobina sensível espiral plana (2) é sempre nula, quer a sonda esteja no ar ou a qualquer outra distância paralela ao material a inspeccionar. 8

9 Apenas quando existe um defeito sob uma das semicircunferências da Bobina sensível espiral plana (2) é que se gera um desequilíbrio de correntes que se traduz numa ddp diferente de zero aos seus terminais. Outra possibilidade para gerar um desequilíbrio de correntes é o afastamento de apenas uma das semicircunferências da Bobina sensível espiral plana (2), relativamente ao material a inspeccionar. Note-se, pelo que foi referido, que ao contrário das sondas convencionais de correntes de Eddy, neste caso a detecção dos defeitos não é feita com base na variação da impedância eléctrica, mas antes com base na variação da ddp aos terminais da Bobina sensível espiral plana (2). Outros aspectos importantes de funcionamento que decorrem da concepção da presente invenção são: 1) O paralelismo da Bobina sensível espiral plana (2) e a sua proximidade ao material a inspeccionar ( µm) (Figura 1) contribuem para aumentar a sensibilidade da sonda aos defeitos de reduzida dimensão ou de morfologia de difícil detecção; 2) A direcção rectilínea das correntes induzidas pela Bobina de excitação toroidal (1) no material a inspeccionar (Figura 6), pode ser usado com vantagem nas inspecções em que existe uma heurística associada à morfologia dos defeitos, nomeadamente o conhecimento a priori das orientações preferenciais desses defeitos. Por exemplo, no caso da inspecção dos defeitos na raiz da soldadura por fricção linear (SFL), nomeadamente nos defeitos de kissing-bond, é possível orientar a sonda no sentido de induzir a corrente na direcção perpendicular à direcção do defeito, para obter um maior efeito de oposição a essa corrente, no caso de o defeito existir. 3) Existe a possibilidade de inspeccionar os bordos de material que são perpendiculares ao plano de simetria da bobina sensível espiral plana (2), dado que a ddp não é alterada pela ausência parcial de material, sendo apenas alterada por um desequilíbrio de condutividade em uma das metades de circunferência, devido à presença de um defeito. 4) Outra vantagem importante é a possibilidade da sonda operar segundo um método de inspecção baseado na análise da variação da tensão eléctrica induzida aos terminais da bobina sensível espiral plana (2) durante um movimento de rotação de 9

10 360º da sonda sobre si própria, com ou sem excentricidade, em cada ponto do material a inspeccionar. Este procedimento permite detectar um defeito de dimensão superior à sonda, mesmo que durante o movimento linear da sonda o defeito aparecera alinhado ou perpendicular ao plano de simetria da bobina sensível espiral plana (2). Este procedimento permite também aumentar a informação relativa a cada ponto do material inspeccionado, uma vez que fornece não apenas um valor único do sinal, mas um conjunto de valores associados a cada posição angular da sonda. Esta é uma particularidade de inspecção devida ao facto de a sonda não possuir eixo de simetria axial, como acontece com as restantes sondas convencionais. A informação associada a cada posição angular da sonda, pode ter outro tipo de utilidade directa ou indirectamente relacionada com a localização dos defeitos, nomeadamente a possibilidade de aferir o estado do acoplamento da sonda ao material a inspeccionar, através da comparação do sinal fornecido pela sonda nos extremos do movimento de rotação (0º e 360º). Descreve-se seguidamente o modo de funcionamento da sonda do ponto de vista dos campos magnéticos e das correntes eléctricas envolvidas em três situações de distintas: Primeira situação de funcionamento: Sonda no ar ou lift-off infinito (Figura 3). A Bobina de excitação toroidal (1) (Figura 2 e 3) ao ser percorrida por uma corrente eléctrica sinusoidal a) induz um campo magnético b), de acordo com a lei de Biot- Savart, que por sua vez induz uma corrente c) na Bobina sensível espiral plana (2) (Figura 5), de acordo com a lei geral da indução. O traçado especial da Bobina sensível espiral plana (2), com duas semicircunferências espirais de sentidos opostos (Figura 4), faz com que o fluxo do campo magnético b) tenha duas contribuições opostas para a corrente global induzida nesta espiral. Assim, a corrente induzida na metade esquerda é anulada pela corrente induzida na metade direita (Figura 5), o que resulta numa corrente global nula e consequentemente numa ddp também nula aos terminais da Bobina sensível espiral plana (2). Estas três grandezas eléctricas (corrente a), campo magnético b) e corrente c)), características da primeira situação de funcionamento (Figura 5), mantêm-se presentes e inalteradas nas outras duas situações de funcionamento. 10

11 Segunda situação de funcionamento: Sonda no material livre de defeitos (Figura 6). Quando a sonda se aproxima de um material homogéneo livre de defeitos (Figura 1), para alem das três grandezas eléctricas da primeira situação (Figura 5), aparece também no material homogéneo um campo de corrente eléctrica d) com a forma aproximada de duas semicircunferências (Figura 6) que é induzida pelo campo magnético b). Esta corrente eléctrica d) induz um campo magnético e), que por sua vez induz uma corrente f) na Bobina sensível espiral plana (2) (Figura 6). Se o material for homogéneo, com condutividade constante, então todas as correntes eléctricas a), c), d) e f) e campos magnéticos b) e e) irão mantêm-se simétricos relativamente ao plano de simetria da Bobina sensível espiral plana (2) (Figura 6). Nestas condições, a corrente global induzida na Bobina sensível espiral plana (2) será nula, assim como a ddp aos seus terminais, pelas mesmas razões descritas na primeira situação de funcionamento. Este equilíbrio de correntes mantém-se independentemente da distância da sonda ao material a inspeccionar (lift-off). Terceira situação de funcionamento: Sonda no material com defeitos (Figura 7). Relativamente à situação anterior, a existência de um defeito sob uma das semicircunfrências cria um constrangimento à circulação da corrente induzida d) (Figura 7) e consequentemente uma diminuição do campo magnético e), que por sua vez provoca uma diminuição da corrente induzida f) na Bobina sensível espiral plana (2). Esta situação intruduz um desiquilibrio da corrente induzida f), que se traduz pelo aparecimento de uma ddp aos terminais da Bobina sensível espiral plana (2). É com base nesta ddp que se avalia a existência de defeitos. 11

12 Reivindicações 1. Sonda de correntes de Eddy, para aplicação em Ensaios Não Destrutivos de materiais condutores de corrente eléctrica, caracterizada por uma bobina sensível espiral plana (2) paralela à superfície do material a inspeccionar, constituída por um traçado simétrico de duas espirais em forma de semicircunferência, com enrolamento em sentidos opostos e um terminal no interior de cada uma, nos quais se mede a tensão eléctrica induzida para avaliar a existência de defeitos no material; 2. Sonda de correntes de Eddy, para aplicação em Ensaios Não Destrutivos de materiais condutores de corrente eléctrica, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizada por uma bobina de excitação toroidal (1) que induz uma corrente eléctrica alternada no material a inspeccionar e é perpendicular à bobina sensível espiral plana (2), alinhada segundo o plano de simetria da bobina sensível espiral plana (2), com um segmento recto no plano da superfície inferior da bobina sensível espiral plana (2); 3. Sonda de correntes de Eddy, para aplicação em Ensaios Não Destrutivos de materiais condutores de corrente eléctrica, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada por incluir na sua constituição os seguintes componentes: bobina de excitação toroidal (1), bobina sensível espiral plana (2), suporte das bobinas (3), com ou sem suporte da bobina de excitação (4), terminais da bobina sensível (5), chassis (6), tampa (7) e ligações eléctricas (8); 12

13 4. Sonda de correntes de Eddy, para aplicação em Ensaios Não Destrutivos de materiais condutores de corrente eléctrica, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada pela seguinte montagem dos seus componentes: a) Placa isolante de suporte das bobinas (3) com uma superfície inferior na qual existe uma bobina sensível espiral plana (2) e com uma ranhura alinhada com o plano de simetria da bobina sensível espiral plana (2) na qual encaixa a bobina de excitação toroidal (1) com ou sem o suporte da bobina de excitação (4); b) Placa isolante de suporte das bobinas (3) com uma superfície superior na qual existem os terminais eléctricos que ligam aos terminais do interior das duas espirais em forma de semicircunferência da bobina sensível espiral plana (2); c) Chassis (6) de suporte e protecção dos componentes internos da sonda, com uma superfície inferior onde encaixa a placa isolante de suporte das bobinas (3), e uma superfície superior onde encaixa uma tampa (7) que serve de suporte às ligações eléctricas (8); 5. Sonda de correntes de Eddy, para aplicação em Ensaios Não Destrutivos de materiais condutores de corrente eléctrica, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada pelo seguinte modo de funcionamento: a) Indução de um campo de corrente eléctrica no material a inspeccionar, com a forma de duas semicircunferências simétricas, por via da bobina 13

14 de excitação toroidal (1), quando esta é percorrida por uma corrente eléctrica alternada imposta; b) Anulação mútua da corrente induzida em cada uma das semicircunferências da bobina sensível espiral plana (2), devido à compensação de todos os fluxos de campo magnético que atravessa as duas semicircunferências, na situação de sonda no ar ou junto a um material condutor homogéneo, por exemplo material a inspeccionar sem defeitos; c) Aparecimento de uma tensão eléctrica aos terminais das semicircunferências da bobina sensível espiral plana (2), como consequência de um desequilíbrio nos fluxos de campo magnético, resultado do constrangimento à circulação das correntes eléctricas no material, devido à localização de um defeito sob uma das semicircunferências; 6. Sonda de correntes de Eddy, para aplicação em Ensaios Não Destrutivos de materiais condutores de corrente eléctrica, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada por operar segundo um método de inspecção baseado na análise da variação da tensão eléctrica induzida aos terminais da bobina sensível espiral plana (2) durante um movimento de rotação de 360º da sonda sobre si própria, com ou sem excentricidade, em cada ponto do material a inspeccionar; Lisboa, IST, 5 de Outubro de

15 Desenhos Técnicos Figura Figura 2 15

16 Figura 3 2 Figura 4 16

17 2 a) I da bobina (1) b) B induzido por a) Figura 5 c) I em (2) induzida por b) 2 a) I da bobina (1) b) B induzido por a) c) I em (2) induzida por b) d) I no material induzido por b) Figura 6 e) B induzido por d) f) I em (2) induzida por e) 17

18 2 Defeito a) I da bobina (1) b) B induzido por a) c) I em (2) induzida por b) d) I no material induzido por b) e) B induzido por d) f) I em (2) induzida por e) Figura 7 2 0º 45º 90º 180º 270º Figura 8 18

19 Legendas das Figuras Figura 1 Vista tridimensional de desenho de conjunto da sonda posicionada sobre o material a inspeccionar; 1) Bobina de excitação toroidal, 3) Suporte das bobinas, 6) Chassis, 7) Tampa, 8) Ligações eléctricas, 9) Material a inspeccionar Figura 2 Vista superior de desenho de conjunto dos elementos activos da sonda; 1) Bobina de excitação toroidal; 2) Bobina sensível espiral plana; 3) Suporte das bobinas; 4) Suporte da bobina de excitação; 5) Terminais da bobina sensível Figura 3 Vista inferior de desenho de conjunto dos elementos activos da sonda; 1) Bobina de excitação toroidal; 2) Bobina sensível espiral plana; 3) Suporte das bobinas; 4) Suporte da bobina de excitação; 5) Terminais da bobina sensível Figura 4 Desenho da bobina sensível espiral plana; 2) Bobina sensível espiral plana Figura 5 Representação esquemática das correntes (I) e dos campos magnéticos (B) envolvidos no funcionamento da sonda em vazio; 2) Bobina sensível espiral plana Figura 6 Representação esquemática das correntes (I) e dos campos magnéticos (B) envolvidos no funcionamento da sonda sobre o material a inspeccionar livre de defeitos; 2) Bobina sensível espiral plana Figura 7 Representação esquemática das correntes (I) e dos campos magnéticos (B) envolvidos no funcionamento da sonda sobre o material a inspeccionar com defeitos; 2) Bobina sensível espiral plana Figura 8 Representação esquemática do método de inspecção baseado no movimento de rotação da sonda de 360º, com ou sem excentricidade relativamente à direcção dos defeitos; 2) Bobina sensível espiral plana 19

20 Contacto dos Inventores Telmo Jorge Gomes dos Santos Telf.: Telm.: Pedro Miguel dos Santos Vilaça da Silva Telf.: Fax: Instituto Superior Técnico Departamento de Engenharia Mecânica Secção de Tecnologia Mecânica Av. Rovisco Pais Lisboa Portugal 20