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Instituto Superior Técnico Departamento de Engenharia Mecânica Secção de Tecnologia Mecânica Av. Rovisco Pais 1049-001 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

Pedido de Patente para Sonda de Correntes de Eddy

Índice

Índice ........................................................................................................................ 2

Resumo ..................................................................................................................... 3

Descrição da Invenção.............................................................................................. 4

Reivindicações........................................................................................................ 12

Desenhos Técnicos ................................................................................................. 15

Legendas das Figuras ............................................................................................. 19

Contacto dos Inventores ......................................................................................... 20

2


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


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 que contraria o campo primário (Figura B3).

Nestas condições, tanto a corrente primária como o campo magnético

PH

SH PH

4


primário reduzem-se, quando comparados com os que se obtém na ausência de peça

condutora. PH

1) 2) 3)

PH

SH

induzidacorrente

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 ,

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.

PHSH

Alumínio

Aço

Materiais magnéticos

Materiais não magnéticos Defeito

Defeito

Lift-off Condutividade

Lift-off

Resistência [Ω ]

Indu

tânc

ia [H

]

Condutividade

Ar

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


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 , mantendo )(ZAbs

)(ZArg 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 )(ZAbs , 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 e não em )(ZArg )(ZAbs , pelo que as variações

de são ignoradas. )(ZArg

Re (Z)

Im (Z

)

σ ↑

lift-off ↑

Re (Z)

Im (Z

)

Frequências de funcionamento

f ↑

1) Figura D – Evolução da impedância complexa em diferentes situações

2)

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


1) A detecção de defeitos baseada apenas nas variações de )(ZAbs , sem ter em conta as

variações de )(ZArg 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 . )(ZArg

2) As frequências de funcionamento usadas para tornar as variações ao longo da linha

de condutividade dependentes apenas de mantendo )(ZAbs )(ZArg 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 relativamente ao valor da densidade à

superfície), sendo dada pela Eq. 1, onde [s

1−e %3737.0 ⇒≈-1f ] é a frequência, μ [H.m-1] é a

permeabilidade magnética ( ), e σ [%IACS] é a condutividade eléctrica. rμμμ 0=

σμπδ σμ ff

1),,( = (1)

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 1 642 118 A1, EP 1 604 199 A1, EP 1

515 137 A1, EP 1 022 563 A1. Exemplos de patentes de sondas baseadas em bobinas

espirais planas são: US 5,015,951 e US 5,453,689.

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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


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 (100-300µm) (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


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


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


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;



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);



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





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);




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

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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;




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 2007.

14


Desenhos Técnicos

1

9

6

87

3

Figura 1

1

4

3

2

5

Figura 2

15


41

3

2

5

Figura 3

2 Figura 4

16


a) I da bobina (1)

b) B induzido por a)

c) I em (2) induzida por b)

2

Figura 5

a) I da bobina (1)



e) B induzido por d)

d) I no material induzido por b)

f) I em (2) induzida por e)

2 Figura 6

17


a) I da bobina (1)



e) B induzido por d)

d) I no material induzido por b)

f) I em (2) induzida por e)

Defeito 2 Figura 7

0º 45º 90º 180º 270º

2 Figura 8

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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

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Contacto dos Inventores Telmo Jorge Gomes dos Santos E-mail: [email protected].: 21 8419615 Telm.: 96 7957277 Pedro Miguel dos Santos Vilaça da Silva E-mail: [email protected].: 21 8419002 Fax: 21 8419058 Instituto Superior Técnico Departamento de Engenharia Mecânica Secção de Tecnologia Mecânica Av. Rovisco Pais 1049-001 Lisboa Portugal

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mailto:[email protected]

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