Eddy Current Sensors
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Sensori basati sulle correnti indotte (Eddy Current) • • • • Il principio fisico Eddy Current sensors Applicazioni Lo sviluppo di un sensore • • • • Progettazione Realizzazione Ottimizzazione Caratterizzazione metrologica • Un esempio pratico Le correnti indotte Se in una regione dello spazio, occupata da un conduttore, il campo magnetico è variabile nel tempo, si producono entro il conduttore stesso delle correnti indotte, cui in generale si associano fenomeni dissipativi di energia; esse sono perciò chiamate correnti parassite o anche correnti di Foucault. B (t ) = BM sen(ω t ) Φ (t ) = ∫∫ B(t ) ⋅ nˆ ds = Φ M ⋅ sen(ω t ) Φ (t , B, geometria ) Legge di Lenz d Φ (t ) e(t ) = − = − EM ⋅ cos(ω t ) dt e(t , B, f , geometria ) Le correnti indotte Materiale conduttore conduttanza G=1/R Potenza dissipata per Effetto Joule Circolazione di correnti all’interno del materiale: I=E/R P = R⋅I 2 Le correnti indotte Dissipazione di potenza non gradita ⎛ B , f , geometria ⎞ P⎜ ⎟ ρ ⎝ ⎠ • Suddividere il materiale con superfici di separazione parallele alla direzione del flusso (es. trasformatori) • Accrescere la resistività del materiale Le correnti indotte Lo spessore di penetrazione δ = spessore di penetrazione σ = conducibilità del materiale µ 0 = permeabilità magnetica J 0 = J ( x = 0) Corrente Indotta δ = 1/ πµ 0σ f J(x) = J 0 e -δ /x Spessore x Il modulo delle correnti ad una profondità x=δ è circa il 37% di quello in superficie I sensori basati sulle EC Sfruttano il principio delle correnti indotte per “sentire” la grandezza d’interesse. Le misure avvengono senza contatto Sono generalmente basati sull’utilizzo di una o più bobine. Sono tutti sensori che hanno bisogno di alimentazione (devono creare il campo magnetico). Applicazioni • Misure di prossimità (REED) • Misure di deformazione • Misure di resistività • Misure di spessore di rivestimenti protettivi • Misure per Test Non Distruttivi (NDT) Misure di prossimità Una bobina viene percorsa da una corrente alternata ad alta frequenza; quando al sensore viene avvicinato un target metallico, si generano in esso per induzione magnetica delle correnti parassite, che opponendosi al campo magnetico primario, provocano una variazione dell’induttanza della bobina: si ha quindi un segnale funzione della distanza tra sensore e target. I sensori di prossimità, non rilevano una grandezza vera e propria, ma la presenza o meno di un oggetto nelle vicinanze del trasduttore. Misure di prossimità Vantaggi: • • • • • • • • elevata sensibilità e ripetibilità; misure senza contatto fisico e senza forza esterna; vita meccanica illimitata utilizzabile con tutti i target metallici elettricamente conduttivi, sia ferromagnetici che non ferromagnetici dimensioni estremamente ridotte dei sensori (fino a 2mm diametro 4mm di lunghezza) insensibilità alla polvere, umidità, olio o materiale dielettrico nell'intervallo di misura affidabilità delle misure, anche in presenza di interferenze di campi elettromagnetici ampio intervallo operativo di temperatura Misure di resistività A parità di campo esterno e quindi di f.e.m. il valore delle correnti indotte nel materiale è inversamente proporzionale alla resistività del materiale E E I= = R ρ ⋅l S I = I (k / ρ ) Al variare della resistività varia l’accoppiamento magnetico tra bobina e pezzo in esame. La variazione di resistività viene vista come una variazione di impedenza ai capi della bobina. Misure di deformazione Misure di spessore di rivestimenti protettivi Misure per Test Non Distruttivi Sviluppo di un sensore • Applicazione • Conoscenza del fenomeno fisico • Realizzazione del sensore Sviluppo di un sensore • Conoscenza del fenomeno • Sviluppo dell’elemento sensibile • Capace di “sentire” la grandezza d’interesse • Fornire in uscita una grandezza correlata a quella in ingresso • Valutare la necessità di impiego di circuiti di condizionamento ed elaborazione dei segnali • Determinazione della f.d.t. del sensore • Verifica sperimentale sia di funzionamento che della funzione di trasferimento Sviluppo di un sensore • Ottimizzazione (TUNING) • Regolazioni hardware • Variazioni dei segnali di forzamento • Ottimizzazione software • Caratterizzazione metrologica Caratteristiche statiche • • • • • • Sensibilità Linearità Errore max Risoluzione Range etc. Caratteristiche dinamiche • • • • Risposta in frequenza Linearità in freq. Errore di fase etc. TEST NON DISTRUTTIVI I Controlli non distruttivi NDT (Non Destructive Testing) sono un insieme di pratiche diagnostiche, atte a rilevare anomalie dei materiali, componenti di macchinari, strutture saldate, progetti in fase di studio o collaudo, etc. senza alterarne lo stato fisico o la geometria. Esami visivi; Ultrasuoni; Liquidi penetranti; Termografia; Magnetoscopia; Radiografia; Ferrografia; Correnti indotte (Eddy Current Testing ECT). Fattori trainanti lo sviluppo di tanti metodi di indagine Fattori tecnici ¾ tipologie di difetti ¾ tipologie di materiali ¾ tipologie di applicazioni Fattori economico - legislativi ¾ Metodi di indagine a basso costo ¾ Controllo qualità ⇒ danni economici per le aziende ¾ Leggi nazionali e comunitarie sulla qualità dei prodotti - Direttiva CEE n°374/85, recepita con D.P.R. 27/05/88 n°224 “responsabilità civile per danno da prodotto difettoso” - Direttiva CEE 83/189 recepita con Legge 21/6/86 n.317 “i requisiti minimi che un prodotto e/o servizio deve possedere per essere funzionale nei confronti dell'utente” Induzione di un campo magnetico variabile nel pezzo in esame, con conseguente generazione di correnti indotte; Metodo ECT Rilevamento della variazione del campo magnetico di reazione delle correnti indotte, provocato dalla presenza del difetto. VANTAGGI Richiede apparecchiature poco costose; E’ di semplice attuazione e facilmente automatizzabile; Consente un esame oggettivo, prescindendo dall’esperienza e dall’abilità dell’operatore; Non è necessario il contatto tra la sonda e l’oggetto in prova; Induzione di un campo magnetico variabile nel pezzo in esame, con conseguente generazione di correnti indotte; Metodo ECT Rilevamento della variazione del campo magnetico di reazione delle correnti indotte, provocato dalla presenza del difetto. SVANTAGGI E’ possibile testare solo materiali conduttori; Difficoltà nell’individuare difetti subsuperficiali Metodi ECT classici H0 H0 excitation coil excitation & pick-up coil pick-up coil J J Hr Hr a) a) Utilizzo di un’unica bobina con il compito di indurre le correnti nel pezzo e rilevare la tensione indotta b) b) Utilizzo due bobine separate per le due funzioni. Un esempio pratico Attività di ricerca del gruppo Misure elettriche ed elettroniche Sviluppo di sensori innovativi per EC-NDT Applicazioni • ALENIA SPAZIO • SVILUPPO DI SENSORI (METODI) CHE SUPERINO PROBLEMI DI SENSORI IN COMMERCIO • SVILUPPO DI SENSORI (METODI) A BASSO COSTO Problemi dei sensori in commercio La rilevabilità dei difetti è subordinata: ¾ alla condizione che le correnti indotte penetrino in profondità nel materiale, fino ad interessare tutto lo spessore del manufatto o comunque la porzione esterna di esso che si intende esplorare al fine di rivelare difetti non accettabili; ¾ alla condizione che i segnali associati alla presenza di difetti siano discriminabili rispetto ai segnali originati da cause estranee ai criteri di accettabilità del prodotto. Frequenze alte 9 Alti livelli dei segnali Correnti indotte elevate 8 Piccolo spessore di penetrazione Frequenze basse Correnti indotte basse 8 Bassi livelli dei segnali 9 Grande spessore di penetrazione Scelta di compromesso ATTIVITA’ DI RICERCA Metodo proposto: Utilizzo di sensori di campo magnetico in cui il livello di segnale non dipende dal valore delle correnti indotte e quindi della frequenza; L’informazione sul campo magnetico deriva da una misura del contenuto armonico del segnale in uscita dal sensore. Sensore fluxset ATTIVITA’ DI RICERCA Sensore fluxset V (b) Pickup (c) He (a) Driving t nucleo (a) Segnale di driving (b) segnale di pick-up in assenza di un campo magnetico esterno (c) segnale di pick-up in presenza di un campo magnetico esterno Il livello del segnale di pick-up non dipende dal campo magnetico esterno ATTIVITA’ DI RICERCA La sonda fluxset realizzata: il funzionamento del metodo supporto Bobina di eccitazione 34mm 10mm 1.4mm Bobina di driving 20µm Bobina di pickup 0.5mm 6mm 58mm 65mm 32mm H0 8mm Provino Materiale magnetico difetto Hr J Hr H0 Fluxset ATTIVITA’ DI RICERCA Sviluppo del software di elaborazione dei segnali • Elaborazione nel dominio del tempo • Elaborazione nel dominio della frequenza Scelta di compromesso: • Migliore risposta del sensore • Tempo di elaborazione (applicazioni real time) Il trasduttore (sensore+eccitazione +elaborazione) fornisce valori tensione [V] proporzionali al campo magnetico misurato ATTIVITA’ DI RICERCA Prime prove sperimentali sonda sonda cricca Singolo sensore fluxset cricca specimen specimen sonda cricca cricca specimen sonda specimen Scansioni monodimensionali Limiti: Esistenza di condizioni di simmetria che non permettono la rilevazione del difetto I dati ottenibili da scansioni singole sono insufficienti ad avere rapide e chiare informazioni sulla dimensione e geometria del difetto OTTIMIZZAZIONE z La soluzione adottata Realizzazione di una sonda Fluxset bidimensionale Analisi di mappe di campo x Possibilità di ottenere maggiori informazioni su posizione e geometria del difetto fluxset y OTTIMIZZAZIONE a) b) c) d) a), c) Modulo e fase del sensore posto sull’asse x (ortogonale alla cricca); b), d) Modulo e fase del sensore posto sull’asse y (parallelo alla cricca); OTTIMIZZAZIONE Due problemi: • Output in Volt • Perdita dell’informazione sulla fase Taratura (calibration) della sonda realizzata • Determinazione del coefficiente di conversione Volt/Tesla Calibrazione (adjustment) • Determinazione delle condizioni hardware e di forzamento che garantiscano un corretto funzionamento dl sensore Taratura (calibration) Several approaches can be followed to realize the calibration process. The simplest way concerns with the use of a reference magnetic field probe and compare the two probe outputs for a suitable number of magnetic field values. Limits: The Fluxset dimensions are very small if compared to those of commercial magnetic probes. This particular influences the spatial sensitivity of the probes and make almost impossible that the two probes feel the same magnetic field exactly. Consequence: The two probes cannot be placed contemporaneously in the same location and, taking into account their high field sensitivity, their measurements can refers to different magnetic field conditions. 'This simple approach cannot be used The Proposed Calibration method The followed idea: Use a reference magnetic field generator providing a known field, and compare the Fluxset sensed field with that supplied by the reference generator. Features: easily integrated in the realized measurement system; robust; little; low cost; simple to manage; usable in an industrial environment. coil support Solution: A reference coil Note: The coil is made of 105 elementary rectangular coils winded on a medium wood support, dimensions are expressed in mm 30 6 41 120 How can the reference field be estimated and tuned? The generated magnetic field value is obtained by using an experimental software able to calculate the field spatial distribution over a 3D region in presence of a regular magnetic source as an impressed DC current Evaluation of the Fluxset based probe calibration OPERATIVE CONDITIONS Impressed Current:DC [–150, 150] mA Impressed Magnetic Field: DC [–27, 27] µT Fluxset Driving Current: 25mA,25kHz (Tri. Wave) Fluxset Excit.Current: 500mA,1kHz (Sin. Wav) Testing Probe Automatic Mover Exciting coil z y Note: The reference coil was rotated of 90 ° to generate magnetic field along the x and y axis direction . x X axis oriented field amplitude [uT] 30 25 20 (a) Theoretical Field values [uT] measured field values [V] 3.0E-04 [V] 2.5E-04 1.5E-04 10 1.0E-04 5 5.0E-05 0.0E+00 0 -150 -110 -70 -30 10 50 90 130 [mA] Inducing coil X axis oriented field phase 0 [rad] -0.5 -1 2.0E-04 15 Fluxsets -1.5 -2 -2.5 (b) -3 Theoretical field values Measured field values -3.5 -150 -110 -70 -30 10 50 90 130 [mA] Necessity of the Fluxset based probe adjustment Consideration: Consideration There is a great disagreement 1) the Fluxset probe is located in the same operative condition encountered during the test and on a specimen without cracks Explanation: Explanation a) The testing probe structure is not perfectly symmetric, consequently the Fluxset probes sense also the presence of boundary effects caused by its own excitation coil. In addition these external effects can vary with a number of operating conditions (coil current, specimen under test, environmental noise) b) The Fluxset based probe senses not only the generated magnetic field component but also the environmental magnetic field component; 2) the exciting coil is switched on, both pickup signals are acquired, and an preliminary FFT analysis is carried out between the measured and the expected (imposed) magnetic filed [uT] 30 25 (a) 3.0E-04 [V] 2.5E-04 Theo retical Field values [uT] meas ured field values [V] 20 2.0E-04 15 1.5E-04 10 1.0E-04 5 5.0E-05 0 -150 -110 -70 -30 10 50 90 130 0.0E+00 [mA] 3) the amplitude and phase response of each sensor are analyzed and consequently a little DC current is added or subtracted to the driving coil current, in order to compensate the presence an asymmetry in zero-field conditions 4) the previous step is repeated until the odd harmonics frequencies reaches the zero value, or is lower than a suitable threshold related to the measurement uncertainty. 0 [rad] -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 (b) -3 -3.5 -150 -110 -70 Theo ret ical field values M eas ured field values -30 10 50 90 130 [mA] After the conclusion of this zeroing procedure another calibration test was executed in presence of a Fluxset excitation equal to the operating one. After adjustment procedure 30 [uT] 1.6E-04 [V] t heo ret ical field values [uT] meas ured field values [V] 25 1.2E-04 20 15 8.0E-05 10 4.0E-05 5 0.0E+00 90 120 150 [mA] 0 -150-120 -90 -60 -30 0 30 60 0 .5 [r a d ] 0 - 0 .5 -1 - 1 .5 -2 After the conclusion of this zeroing procedure another calibration test was executed in presence of a Fluxset excitation equal to the operating one. - 2 .5 (b) t h e o r e t ic a l f ie ld v a lu e s -3 m e a s u r e d f ie ld v a lu e s - 3 .5 -150 -110 -70 -30 10 50 90 130 [m A ] Note: the difference between sensitivities mainly depends on the specific excitation current used. The Proposed Calibration method: The measured calibration factor The calibration constants for both axes were then computed by dividing the angular coefficients of experimental and theoretical characteristics respectively. CALIBRATION FACTOR Value [uT/mV] Uncertainty [uT/mV] X axis oriented Fluxset sensor 233.32 0.96 Y axis oriented Fluxset sensor 260.5 1.5 The reported uncertainty values have been calculated taking into account the standard uncertainty of the experimental angular coefficient, and assuming zero the uncertainty of the theoretical angular coefficient ATTIVITA’ DI RICERCA Alcuni risultati sperimentali Percorso di scansione z Simulati 2 mm crack 25mm 10mm y x 20mm Buon accordo tra dati sperimentali e simulati Sperimentali ATTIVITA’ DI RICERCA Alcuni risultati sperimentali Provino in alluminio con foro da 5mm Prove sperimentali Provino in rame con cricca passante da 60mm Il sistema permette l’individuazione della posizione del difetto Fornisce indicazioni sulla maggiore larghezza della cricca rispetto dell’area di scansione Sensore x Sensore y Analisi dei risultati Sono state effettuate tre tipi di analisi: Valutazione degli andamenti delle mappe di campo al variare della larghezza della cricca Valutazione degli andamenti delle mappe di campo al variare della profondità della cricca Valutazione degli andamenti delle mappe di campo al variare della subsuperficialità della cricca Risultati sperimentali Analisi al variare della larghezza della cricca Modulo sensore x Le fasi non danno informazioni aggiuntive Si evidenzia una precisa correlazione tra la larghezza della cricca e la distanza dei punti di massimo degli andamenti di campo misurati da entrambe i sensori Modulo sensore y Larghezza cricca Distanza picchi Larghezza cricca Distanza picchi 12mm 12mm 12mm 16mm 10mm 12mm 10mm 14mm 8mm 10mm 8mm 14mm 6mm 10mm 6mm 12mm 4mm 8mm 4mm 12mm 2mm 6mm 2mm 10mm Risultati delle simulazioni Analisi al variare della profondità e sub-superficialità della cricca Le fasi non danno informazioni aggiuntive Si evidenzia una correlazione tra la profondità e/o subsuperficialità della cricca, ed il modulo del campo Posizione cricca [mm] z max = 0 z min =-1.2 z max = 0 z min =-1.0 z max = 0 z min =-0.8 z max = 0 z min =-0.6 z max = 0 z min =-0.4 z max =-0.2 z min =-1.2 z max = -0.4 z min =-1.2 z max =-0.6 z min =-1.2 Valore max del campo misurato dal sensore x Valore max del campo misurato dal sensore x 3.5 e-6 [T] 4.8 e-6 [T] 2.6 e-6 [T] 3.6 e-6 [T] 1.8 e-6 [T] 2.5 e-6 [T] 1.2 e-6 [T] 1.6 e-6 [T] 6.0 e-7 [T] 9.0 e-7 [T] 1.5 e-6 [T] 2.0 e-6 [T] 8.5 e-7 [T] 1.2 e-6 [T] 4.8 e-7 [T] 6.5 e-7 [T] ATTIVITA’ DI RICERCA La stazione automatica di misura PC IEEE488 bus DATA ACQ G1 G3 G2 Top view of the probe AMP excitation coil NDT Probe Front view of the probe PROBE FLUXSET z ex citation coil annealed metallic glass driving coil pickup coil support support x fluxsets y ATTIVITA’ DI RICERCA Stazione di misura basata su strumentazione stand alone Questa soluzione, indispensabile per fornire al sistema tutta la flessibilità necessaria nella fase di settaggio dei parametri ottimali di funzionamento, non è però proponibile in un sistema industriale, sia per l’elevato costo di base che per l’inadattabilità ad un tale ambiente Idea Realizzare uno strumento versatile ed a basso costo, che implementa tutto l’hardware ed il software necessario all’esecuzione di test non distruttivi con il metodo proposto Architecture of the realized instrument The realized instrument is composed by the following units ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ excitation coil Waveform Generation (WGU), for supplying fluxset driving coils; reference coil PSU ECU at disposal ext sync input Excitation Coil (ECU), for supplying fluxset excitation coil and the reference coil,; BUS motor driver (MDU), for supplying the scanning system; WGU fluxset #1 fluxset #2 MDU AECU acquisition, elaboration and control (AECU); fluxset #3 RS232 The BUS power supply (PSU), for supplying all the previously mentioned units. M M M PC ATTIVITA’ DI RICERCA Problema metodi ECT Necessità di un sistema di movimentazione Tempi di scansione Approccio proposto Sviluppo di sonde basate su matrici di sensori
