Eddy Current Sensors

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.
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Esami visivi;
Ultrasuoni;
Liquidi penetranti;
Termografia;
Magnetoscopia;
Radiografia;
Ferrografia;
Correnti indotte (Eddy Current Testing ECT).
Fattori trainanti lo sviluppo di tanti metodi di indagine
ƒ Fattori tecnici
¾ tipologie di difetti
¾ tipologie di materiali
¾ tipologie di applicazioni
ƒ 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”
ƒ Induzione di un campo magnetico variabile nel
pezzo in esame, con conseguente generazione di
correnti indotte;
Metodo ECT
ƒ Rilevamento della variazione del campo magnetico
di reazione delle correnti indotte, provocato dalla
presenza del difetto.
VANTAGGI
ƒ Richiede apparecchiature poco costose;
ƒ E’ di semplice attuazione e facilmente automatizzabile;
ƒ Consente un esame oggettivo, prescindendo dall’esperienza e
dall’abilità dell’operatore;
ƒ Non è necessario il contatto tra la sonda e l’oggetto in prova;
ƒ Induzione di un campo magnetico variabile nel
pezzo in esame, con conseguente generazione di
correnti indotte;
Metodo ECT
ƒ Rilevamento della variazione del campo magnetico
di reazione delle correnti indotte, provocato dalla
presenza del difetto.
SVANTAGGI
ƒ E’ possibile testare solo materiali conduttori;
ƒ 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:
ƒ Utilizzo di sensori di campo magnetico in cui il livello di segnale non
dipende dal valore delle correnti indotte e quindi della frequenza;
ƒ 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:
ƒ Esistenza di condizioni di simmetria che non permettono la rilevazione
del difetto
ƒ 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
ƒ Realizzazione di una sonda Fluxset
bidimensionale
ƒ 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
ƒ Il sistema permette
l’individuazione della
posizione del difetto
ƒ 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:
ƒ
Valutazione degli andamenti delle mappe di campo
al variare della larghezza della cricca
ƒ
Valutazione degli andamenti delle mappe di campo
al variare della profondità della cricca
ƒ
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
ƒ Le fasi non danno
informazioni aggiuntive
ƒ 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
ƒ Le fasi non danno
informazioni aggiuntive
ƒ 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
ƒ Necessità di un sistema di movimentazione
ƒ Tempi di scansione
Approccio proposto
Sviluppo di sonde basate
su matrici di sensori