IAEA - Correntes Parasitas - Capítulo 3 - INSTRUMENTAÇÃO DO ENSAIO
traduzido do livro: https://www.iaea.org/publications/8414/eddy-current-testing-at-level-2-manual-for-the-syllabi-contained-in-iaea-tecdoc-628rev-2-training-guidelines-for-non-destructive-testing-techniques
- Princípios e Características Básicas das
Sondas de Correntes Parasitas
- Distribuição das Correntes Parasitas
Relativas a Posição da Bobina
- Reações de Diferentes Tipos de Sondas de
Acordo com o Projeto da Bobina
- Tecnologia e Características Práticas das
Sondas
- Funções Principais e Ajustes do Aparelho
- Diferentes Tipos de Aparelhos de Correntes
Parasitas
- Dispositivos Auxiliares
- Exercícios do Capítulo 3
3. CONCEITOS GERAIS
3.1.
Princípios e características básicas das sondas de correntes parasitas
As sondas de corrente parasita são baseadas em princípios relativamente
simples e geralmente consistem em um conjunto contendo uma ou mais
bobinas em uma configuração adequada. A forma da bobina, sua seção
transversal, tamanho e configuração são parâmetros que precisam ser
considerados para produzir uma sonda específica adequada para uma
aplicação determinada ou faixa de aplicações. Esta bobina é energizada
por uma corrente alternada de frequência e amplitude conhecidas que dá
origem ao campo magnético que também é de tipo variável. Quando esta
bobina é aproximada de um material de ensaio condutor elétrico, há uma
tensão induzida gerada na amostra.
3.1.1 Função de Indução e Recepção
Existem dois métodos de detecção de mudanças nas características de correntes parasitas:
- (a) O método de impedância
- (b) O método de excitação e de capatação de resposta
Método de impedância
No método de impedância, a bobina de excitação é monitorada. Como
as mudanças na tensão da bobina ou na corrente da bobina são devido a
mudanças da impedância da bobina, é possível usar o método para
detectar quaisquer parâmetros do material que resultem em mudanças da impedância da bobina.
A
impedância resultante é a soma da impedância da bobina (no ar, em vazio), mais a
impedância gerada pelas correntes parasitas no material ensaiado.
O método de impedância do ensaio de correntes parasitas consiste em monitorar a queda de tensão em uma bobina de ensaio. A impedância tem componentes resistivos e indutivos. A magnitude da impedância é calculada a partir da equação:
| Z | = [ R2 + XL2 ] 1/2
(3.1)
onde
Z = impedância elétrica
R = resistência elétrica
XL = reatância indutiva
e a fase de impedância é calculada como:
Θ = ArcTan ( XL/
R
)
(3.2)
onde
Θ = ângulo de fase
R = resstência elétrica
XL = reatância indutiva
A tensão na bobina de teste é V = IZ, onde I é a corrente através da bobina e Z é a impedância.
A resistência de uma amostra ensaiada ao fluxo de correntes parasitas é
refletida como uma carga resistiva e é equivalente a uma resistência em
paralelo à reatância indutiva da bobina. Esta carga resulta em uma mudança de impedância resistiva e indutiva na bobina de ensaio. A impedância da bobina pode ser exibida em diagramas de impedância normalizados (plano de impedâncias). Com
este mostrador do aparelho ("display") podemos analisar o efeito dos
parâmetros da amostra ensaiada na impedância da bobina. A
derivação do circuito equivalente da impedância da bobina é útil para
uma compreensão quantitativa do efeito de vários parâmetros do ensaio.
Método de excitação e captação de resposta ("Send-receiving method")
O método de emissão-recepção consiste em bobina (ou bobinas) de acionamento separada(s) da(s) bobinas (ou bobinas) de coleta . Neste caso, a tensão induzida através da bobina de captação é medida. O método excitação-captação no ensaio de correntes parasitas é usado, por exemplo, para eliminar os desvios de temperatura. O
fluxo de correntes parasitas é monitorado pela observação do efeito de
seus campos eletromagnéticos associados na tensão induzida em bobina(s) receptora(s) independente(s). Isto é mostrado na figura. 3.1.
N.T.: Por necessariamente empregar, pelo menos, dois enrolamentos com
funções completamente diferentes, as sondas empregadas nesse método são
chamadas de duplas.
FIG. 3.1. Circuito de emissor-receptor (duplo).
A bobina de excitação ou primária é acionada com uma corrente senoidal
com amplitude constante de pico a pico para obter uma força
magnetomotriz constante. Como resultado, o fluxo da bobina de excitação é independente da resistência da bobina.
A resistência do fio das bobinas de excitação e receptora pode mudar, devido à temperatura, sem afetar os sinais de saída. O efeito do desvio de temperatura é assim eliminado. A
independência de temperatura torna este método útil para medir a
condutividade, a espessura da parede e o espaçamento entre camadas
de metal.
3.1.2 Medida absoluta e diferencial
A distinção mais básica entre sondas pode ser feita com base em seu modo de operação. Nesse tocante as sondas podem ser classificas em:
- (a) Sondas de correntes parasitas absolutas.
- (b) Sondas diferenciais de correntes parasitas.
Medida de corrente parasita absoluta
As sondas de corrente parasita absolutas consistem em uma única bobina ou seu equivalente. Um enrolamento separado em duas ou mais seções ainda seria considerado absoluto se funcionasse como tal. Neste
tipo de sonda, a impedância ou a tensão induzida na bobina é medida
diretamente (seus valores absolutos em vez de mudanças na impedância ou
tensão induzida). FIG. 3.2 e FIG. 3.3 mostra sondas de correntes parasitas absolutas.
FIG. 3.2. Arranjo absoluto de bobina única.
FIG. 3.3. Arranjo absoluto de bobina dupla.
No arranjo absoluto de bobina simples, é ensaida apenas a área sob a
bobina e não se compara com um padrão de referência (referência
externa). Como
foi observado na Fig. 3.3 para bobinas duplas, a bobina secundária
possui o dispositivo indicador conectado através da bobina e não está
conectado a uma fonte CA. Normalmente, a bobina secundária está localizada dentro da bobina primária e as duas bobinas são chamadas de bobina dupla.
Quando bobinas duplas são usadas, a bobina primária gera ou induz correntes parasitas no artigo ensaiado. As
correntes parasitas, por sua vez, geram um campo magnético que reage
contra o campo da bobina primária e também induz uma corrente na bobina
secundária. Mudanças no fluxo de correntes parasitas são refletidas como mudanças na corrente induzida na bobina secundária. Assim, o dispositivo indicador apresenta a mudança no fluxo de correntes parasitas. O
arranjo absoluto de bobina dupla também é conhecido por nomes como
sonda emissora-receptora (no inglês, "driver-pickup probe"), sonda
acionada por bobina excitadora, sonda de
captura de resposta ("pitch catch probe") e, mais comumente, uma sonda
de reflexão.
Medida diferencial de correntes parasitas
A sonda de corrente parasita diferencial consiste em um par de
bobinas conectadas em oposição elétrica (por conexão, ou diferença de espiralamento), de modo que uma impedância líquida
medida ou tensão induzida é cancelada quando ambas as bobinas
experimentam condições idênticas. As
bobinas podem detectar apenas mudanças no material ensaiado, portanto,
sondas de correntes parasitas diferenciais são usadas para reagir a
mudanças nos materiais ensaiado enquanto cancelam ruídos e quaisquer
sinais indesejados que afetam ambas as bobinas. FIG. 3.4 mostra um arranjo diferencial de auto comparação com bobina simples típico e a FIG. 3.5 mostra um arranjo diferencial típico de referência externa com bobina simples. FIG. 3.6 mostra um arranjo diferencial de auto-comparação de bobina dupla típico e a FIG. 3.7 mostra um arranjo diferencial típico de referência externa de bobina dupla.
FIGO. 3.4. Arranjoo diferencial de auto comparação de bobina única.
FIG. 3.5. Arranjo de bobinas diferencial com comparação externa de bobina única.
FIG. 3.6. Arranjo de bobina diferencial de auto comparação de bobina dupla.
FIG. 3.7. Arranjo diferencial por comparação externa de bobina dupla.
Comparação entre sondas absolutas e diferenciais
Sondas Absolutas
|
Sondas Diferenciais
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1. Sensíveis tanto a mudanças repentinas e graduais de propriedades e dimensões.
|
1. Insensíveis a mudanças graduais de propriedades e dimensões (pode não detectar descontinuidades longas graduais).
|
2. Sinais combinados são normalmente mais fáceis de interpretar.
|
2. Sinais podem ser difíceis de interpretar.
|
3. Mostra o comprimento total das descontinuidades.
|
3. Detecta apenas as extremidades de descontinuidades longas.
|
4. Sensíveis a mudanças causadas pela alteração da temperatura.
|
4. Insensíveis a mudanças causadas por alterações da temperatura.
|
5. Sensíveis a vibração da sonda.
|
6. Menos sensíveis a vibrações da sonda.
|
3.1.3 Tipos de sonda
As sondas de correntes parasitas podem ter várias formas. A escolha do tipo depende da situação de ensaio. A seguir estão os três principais tipos de sonda usados principalmente em ensaios de correntes parasitas:
- (a) Sonda interna (tipo bobina).
- (b) Sonda envolvente.
- (c) Sonda superficial.
Sonda
interna
As sondas internas consistem em bobinas circulares usadas para ensaiar o interior de tubos ou furos circulares. FIG. 3.8
ilustra um tipo de bobina que pode ser inserida em um tubo para
inspecionar descontinuidades na circunferência interna do tubo. Tal
como acontece com a bobina envolvente, a bobina interna induz correntes
que circundam toda a circunferência do tubo para que toda a seção ao
redor da espira da bobina seja inspecionada.
Como as correntes induzidas no material são mais fortes perto da
bobina, a bobina interna é mais sensível a defeitos localizados sobre
ou perto da superfície interna do tubo.
FIG. 3.8. Bobina interna.
Sondas envolventes
As sondas envolventes são semelhantes em estrutura
às sondas internas, exceto pelo fato de que o material ensaiado é
passado dentro das bobinas. Eles são usados principalmente para inspecionar a superfície externa de materiais redondos, como tubos e hastes. FIG 3.9. mostra uma bobina envolvente. O
campo magnético induz correntes parasitas na barra que circundam toda a
circunferência do tubo ou haste, de modo que toda a seção (circunferência) sob a bobina
é inspecionada em qualquer instância.
A largura da bobina é uma função da aplicação. Bobinas
largas cobrem grandes áreas, de modo que respondem principalmente a
efeitos de volume, por exemplo, condutividade, enquanto bobinas
estreitas detectam áreas pequenas e, portanto, são mais responsivas a
pequenas mudanças, como aquelas produzidas por descontinuidades. O campo magnético da bobina se estende ligeiramente além das extremidades da bobina.
FIG. 3.9. Bobina envolvente.
Sondas superfíciais
As sondas superfíciais são uma das sondas de corrente parasita mais
usadas para inspecionar superfícies, planas ou com contornos, quanto a
presença de descontinuidades ou propriedades do material. Os defeitos podem ser superficiais ou subsuperficiais. Estas também são chamados apenas de sondas (do inglês, "probe coils"). FIG. 3.10 mostra uma sonda superfícial típica. A sonda superfícial pode ser portátil (manuseada por um inspetor) ou montada em equipamento de varredura automatizado. A bobina montada na extremidade da sonda é fornecida com uma camada protetora de epóxi para servir como superfície de desgaste. O campo magnético produzido por uma bobina é aproximadamente do tamanho da bobina. Outras
variações de projetos de sonda superfícial são sondas com a forma de
disco (do inglês, "pancake probes"),
sonda plana (do inglês, "flat probe"), na forma de ferradura (do
inglês, "horse shoe probe") ou sonda com fenda (do inglês, "gap
probe"), sonda giratória ou orbital (do inglês, "spinning probe"), de
sonda acionada por mola (do inglês, "spring loaded probe") e sonda
lápis (do inglês, "pencil probe").
FIG. 3.10. Uma sonda superfícial típica.
3.2. Distribuição de correntes parasitas em relação à posição da bobina
3.2.1 Campo gerado pela bobina indutora sem carga
No
caso de um condutor reto longo transportando corrente, as linhas de
força magnética (ou fluxo) existem que são caminhos circulares fechados
concêntricos com o eixo do condutor.
A
permeabilidade relativa do ar e materiais não magnéticos para todos os
propósitos práticos é considerada como 1. No caso de materiais
ferromagnéticos, a permeabilidade relativa não é constante, mas é uma
função da densidade do fluxo. No
entanto, para sondas de correntes parasitas energizadas por baixos
níveis de magnetização, a permeabilidade pode ser considerada
razoavelmente constante.
Quando o fio reto é enrolado em uma bobina (muitos laços de fio), as
linhas de força que circundam o fio formam um campo magnético dentro e
fora do laço, conforme ilustrado na FIG. 3.11 (Campo magnético de uma bobina).
FIG.3.11. Campo magnético de uma bobina.
O campo assim criado é semelhante ao campo de um ímã na forma de barra. A força deste campo depende de dois fatores: o número de voltas da bobina e da magnitude da corrente. A
intensidade do campo Hz ao longo do eixo de uma bobina condutora de
corrente de raio r metros em um ponto z metros do centro e tendo N
espiras é dada por:
onde
Hz = intensidade do campo magnético
r = raio da bobina
N = número de voltas da bobina
I = corrente elétrica
z = distância a partir do centro
3.2.2 Caminho das correntes parasitas em uma peça de acordo com sua posição em relação à bobina indutora
As correntes parasitas formam circuitos fechados de correntes induzidas
que circulam em um plano perpendicular à direção do fluxo magnético. Sua direção normal de deslocamento é paralela ao enrolamento da bobina e paralela à superfície. O fluxo de correntes parasitas é limitado à área do campo magnético indutor. Para
detecção de falhas é essencial que o fluxo de correntes parasitas seja
perpendicular à trinca para obter a máxima resposta. Se
o fluxo de correntes parasitas for paralelo ao defeito, não haverá
interrupção da corrente e, portanto, nenhuma alteração na impedância da
bobina. FIG. 3.12.a ilustra a sensibilidade de uma sonda superfícial às descontinuidades em relação à sua posição no corpo de prova.
Uma sonda superfícial do tipo disco ("pancake") terá pouca sensibilidade a
laminações da chapa, aderência do revestimentos e descontinuidades paralelas à
superfície da amostra ensaiada.
Para defeitos paralelos ao enrolamento da bobina, uma sonda na forma de
ferradura (em forma de "U", "horse shoe probe") com grande abertura pode ter sensibilidade
razoável. Uma sonda com abertura ("gap probe") usa material ferromagnético para moldar o campo magnético. O
campo é confinado pelo núcleo fazendo com que as correntes parasitas
fluam em trajetos circulares perpendiculares às linhas de fluxo.
FIG. 3.12.a - Propriedades direcionais de uma sonda de superfície
3.2.2 Influência do afastamento da sonda no acoplamento em várias formas
Muitos sistemas práticos de ensaio de correntes parasitas são
organizados com algum espaçamento entre a bobina e o material ensaiado
para que os objetos possam ser manuseados e movidos dentro dos
campos da bobina. Os
efeitos desse espaçamento na reatância e nas correntes parasitas
induzidas são, no entanto, significativos e devem ser levados em
consideração ao projetar as sondas. Para
bobinas superfície ou bobinas envolventes, o efeito do
espaçamento afeta de certa forma o acoplamento entre o campo da bobina
e o material ensaiado.
Quando uma bobina de corrente parasita é afastada da superfície de um
material condutor não magnético de uma certa distância, uma parte do
fluxo magnético criado pela corrente da bobina de ensaio não atinge o
material ensaiado. Se
a bobina é afastada muito da superfície do material tal que nenhuma de
suas linhas de fluxo magnético atinge o material ensaiado, a bobina
exibe sua reatância indutiva de bobina vazia (bobina no ar). Este é o valor mais alto atingível durante os ensaios de materiais não magnéticos. Se
a bobina se aproximar da superfície do material ensaiodo, mais de suas
linhas de fluxo magnético interceptam o material ensaiado induzindo
correntes parasitas que se opõem a uma mudança no campo magnético da
bobina. À medida que a
intensidade do campo de reação da corrente parasita aumenta, a ligação
total do fluxo magnético com a bobina de excitação é reduzida.
À
medida que o campo de reação da corrente parasita aumenta com a
proximidade da bobina à superfície do material ensaiado, a indutância
da bobina e a reatância indutiva são reduzidas. O
limite desta redução é alcançado quando a face da bobina é
colocada em contato intimo com a superfície do material ensaiado.
A sensibilidade do ensaio de corrente parasita às propriedades do
material é maior quando as perdas pela resistência elétrica à corrente parasita
são maximizadas. A
sensibilidade máxima da sonda é alcançada quando a bobina está em
contato direto com a superfície plana de um material ensaiado não
magnético. O aumento na distância bobina-peça sempre reduz a sensibilidade dos ensaios de correntes parasitas.
3.2.3 Método de focalização
A blindagem (isolamento) das correntes parasitas é necessária para fins de
focalização, ou seja, uma parte maior do fluxo disponível pode estar
concentrada abaixo da sonda. O
uso de sondas de correntes parasitas blindadas também pode ser
necessário para evitar que o campo gerado pela sonda interaja com
certos objetos nas proximidades da sonda.
A
principal preocupação é a interação com corpos condutores e magnéticos
que não fazem parte do ensaio, mas estão próximos e podem produzir
indicações falsas ou mascarar o sinal de descontinuidades nas
proximidades. A detecção de descontinuidades perto das bordas (como ensaios de furos de fixação em chapas) é um exemplo. A blindagem de sondas de correntes parasitas pode ser feita de três maneiras:
- (a) Blindagem magnética.
- (b) Blindagem ativa.
- (c) Blindagem de correntes parasitas.
A blindagem magnética é obtida criando um caminho de baixa relutância
para as linhas de campo dentro da área necessária e longe da região
indesejada. Uma
sonda blindada muito simples pode ser construída cobrindo a bobina (com
ou sem núcleo de ferrita) usando uma luva de material de alta
permeabilidade e baixa condutividade, como a ferrita. Na
blindagem ativa a geração de um campo ativo é empregada por meio de uma
bobina ou sistema de bobinas para cancelar parte do campo original em
área específica. A blindagem de correntes parasitas emprega o efeito de pele para evitar que o campo magnético se estenda até seu limite normal. Neste caso, a blindagem é obtida através da atenuação em vez de alterar o caminho magnético.
3.3. Reação de diferentes tipos de sondas de acordo com a forma da bobina
3.3.1 Reação a pequenos defeitos
O fluxo de correntes parasitas é limitado à área do campo magnético
indutor que é uma função da geometria e projeto da bobina (o uso de
blindagem e núcleos tem um efeito significativo na magnitude resultante
do campo de correntes parasitas). A
sensibilidade ao defeito é proporcional à intensidade do campo em uma
sonda superfícial e à largura da abertura em uma sonda tipo ferradura.
Como regra geral, o diâmetro do campo deve ser igual ou menor que o comprimento esperado do defeito. O efeito do diâmetro da sonda e comprimento do defeito é mostrado na FIG. 3.13. e FIG. 3.14. Na
curva podemos ver que quando o comprimento do defeito é igual ao
diâmetro da sonda, a amplitude do sinal varia de um terço a dois terços
da amplitude para uma trinca infinitamente longa.
FIG. 3.13. Efeito do comprimento do defeito.
FIG. 3.14. Efeito do comprimento do defeito.
3.3.2 Reação a defeitos longos
A amplitude da indicação causada por uma descontinuidade depende
principalmente da quantidade de corrente interrompida pela
descontinuidade. Profundidade, largura e comprimento da descontinuidade determinam a mudança na indicação. No
caso de arranjos absolutos de bobinas (bobinas simples ou dupla), o
sistema responde a mudanças súbitas e graduais nas propriedades e
dimensões. O comprimento total do defeito é indicado.
No caso de disposição de bobina diferencial, desde que não haja
diferença sob as bobinas não há indicação no sistema de indicação, mas
quando uma descontinuidade está localizada sob qualquer uma das bobinas
ocorre um desequilíbrio que é indicado pelo instrumento.
3.3.3 Reação a defeitos contínuos
No caso de uma bobina absoluta, um defeito contínuo produzirá uma indicação contínua. No
caso de bobinas diferenciais, não haverá indicação do defeito se o
defeito for contínuo de uma extremidade à outra em uma amostra ensaiada.
3.4. Tecnologia e características práticas das sondas
3.4.1 Tecnologia de projeto
As sondas de correntes parasitas são baseadas em princípios
relativamente simples e consistem em uma ou mais bobinas em uma
determinada configuração. Transdutores
de corrente parasita práticos podem variar de pequenas bobinas com
menos de 2,5 mm (0,1 pol) a mais de 300 mm (12 pol) de diâmetro, podem
ser longos ou curtos e podem ter formato quadrado, redondo ou elíptico
em seção transversal, com núcleos não magnéticos e/ou blindagens. As ferramentas básicas de projeto para essas variações permanecem as mesmas e são baseadas nos seguintes parâmetros principais:
- (a) Indutância da bobina
- (b) Resistência da bobina
- (c) Distribuição de campo no espaço
- (d) Resposta da bobina a mudanças relevantes nas propriedades do material
- (e) Características de afastamento sonda-peça ("lift-off"); e
- (f) Resposta a um entalhe, furo perfurado ou outra descontinuidade simulada.
Além
disso, o projeto pode ser influenciado por outras restrições
intrínsecas ao ambiente de ensaio (formas ou tamanhos especiais) ou
exigidas pela técnica de inspeção (intensidade da fonte, correspondência
de impedância, etc.) e isso complica o processo. Alguns dos parâmetros são:
- (a) Especificações da fonte (força, frequência e configuração).
- (b) Campo mínimo/máximo obrigatório ou permitido.
- (c) Impedância exigida da sonda.
- (d) Formas e dimensões especiais da bobina e padrão de campo.
Alguns desses requisitos podem, de fato, ser contraditórios. O design deve, portanto, ser flexível e baseado em algum tipo de processo iterativo ou ajustável.
Some of these requirements may in fact be contradictory. The design should therefore be
flexible and based on some sort of iterative or adjustable process.
3.4.2 Tecnologia de fabricação
As sondas de correntes parasitas são projetadas e fabricadas de acordo
com a mais alta sensibilidade e resolução às descontinuidades.
Fatores dimensionais e parâmetros elétricos são considerados no momento
do projeto para a conseqüente fabricação de uma determinada sonda. O fio isolado de cobre é enrolado sobre a bobina ou formador de tamanho e forma desejados. Cada
um dos fatores reconhecidos como fatores dimensionais, como o
espaçamento entre a bobina de ensaio e o material, a profundidade de
penetração da corrente parasita produzida pela bobina e o tamanho e a
forma da bobina, afetam as correntes parasitas induzidas no material e,
portanto, afetam as leituras obtidas durante o ensaio. O
fator de acoplamento ("lift-off") e preenchimento ("fill factor")
são aspectos bidimensionais a serem considerados na hora de fabricar as
sondas.
Há a necessidade de manter o espaçamento entre a sonda e o material fixo para obter resultados consistentes. Além
disso, o efeito de acoplamento ("lift-off or fill factor") é tão
pronunciado que pequenas variações no espaçamento podem mascarar muitas
indicações. Para
garantir uma pressão constante sendo aplicada em todos os momentos para
evitar a separação ('lift-off') da bobina, a bobina pode ser montada em
um alojamento com mola. Uma sonda de superfície pode ser portátil ou montada em equipamento de varredura automatizado.
Se o ensaio de correntes parasitas exigir um grande afastamento da sonda
(como nos sistemas de bobinas orbitais que fornecem espaço adequado
para a movimentação de materiais ensaiado), pode ser necessário usar um
enrolamento de bobina de diâmetro maior do que seria usado durante os
ensaios com contato. A
grande bobina de excitação pode projetar um campo razoavelmente forte
para o material ensaiado e garantir níveis de sinal adequados. No
entanto, a área do material inspecionado por bobinas grandes,
a qualquer instante, aumenta proporcionalmente ao diâmetro da bobina. Isso
reduzirá a sensibilidade do ensaio a pequenas descontinuidades, como
trincas com comprimentos de apenas uma fração do diâmetro da bobina. No
entanto, para detectar descontinuidades ou variações de propriedades no
material ensaiado, é essencial fornecer intensidades de campo adequadas
para induzir correntes parasitas com efeitos de reação detectáveis. Isso pode ser feito aumentando a potência de acionamento da bobina. Isso pode ser alcançado aumentando a corrente ou o número de voltas da bobina.
3.4.3 Parâmetros elétricos
O
objetivo principal da sonda de correntes parasitas é induzir correntes
parasitas no objeto ensaiado e receber de volta a mudança em seu valor
devido a variações nas propriedades do material (presença de
descontinuidades, variações de condutividade e variações dimensionais,
etc.). A sonda recebe
uma excitação de corrente alternada de frequência conhecida e amplitude
constante do equipamento e isso auxilia na geração de um campo
magnético de força desejada para posterior indução de correntes
parasitas no material. Os
parâmetros como valor da indutância da bobina, seleção da frequência,
modo de operação (absoluto ou diferencial) e tipo de sonda (bobina
simples ou bobina dupla) são considerações importantes relacionadas às
sondas. De forma similar,
deve ser consideradas a expansão do campo magnético devido ao seu relacionamento com a sensibilidade da inspeção.
3.4.4 Manutenção
A
sonda é um componente essencial e vital de qualquer sistema de ensaio
por correntes parasitas e, como tal, deve ser cuidada e manuseada
adequadamente para evitar possíveis danos a ela durante o uso. O
conhecimento dos parâmetros de projeto, como o material de desgaste
utilizado, a temperatura desejada, a situação do ambiente de trabalho e
a estabilidade (tensão mecânica etc.) devem ser levados em consideração
para um melhor uso e manutenção da sonda em ordem. Normalmente, o desgaste pode ser reduzido pela seleção de compostos plásticos resistentes ao desgaste, como fita de Teflon. Onde o desgaste severo é esperado, os suportes da sonda são projetados para fornecer sustentação constante.
A estabilidade de temperatura pode ser obtida usando material de
suporte de bobina com características de transferência de calor baixa
em vez de metal. A
maioria dos fios de cobre disponíveis comercialmente pode ser usado
para temperaturas de até 150 oC a 200 oC. Para temperaturas mais
altas, o isolamento de silício pode ter que ser usado para bobinas
enroladas de prata ou alumínio. Os materiais devem ser quimicamente compatíveis com o objeto ensaiado. A
estabilidade mecânica e elétrica da bobina de ensaio pode ser aprimorada
pela aplicação de resina epóxi entre cada camada do enrolamento da
bobina.
3.5. Principal função e ajuste do equipamento
Geralmente um instrumento de corrente parasita consiste em um
oscilador, um amplificador, uma balanceador, um filtro, uma rotação de
fase, um medidor DC ou um monitor XY. Um instrumento típico de correntes parasitas é mostrado na FIG. 3.15. São feitos ajustes em vários componentes do equipamento para obter bons resultados de inspeção.
FIG.3. 15. Diagrama de blocos do instrumento de correntes parasitas.
3.5.1 Oscilador
Um oscilador ou gerador gera corrente senoidal em uma frequência especificada que passa pelas bobinas de ensaio. Pode
ser um gerador de onda senoidal de frequência única e um amplificador
de potência, um gerador de onda senoidal de frequência múltipla e
amplificadores de potência ou um gerador de pulso fornecendo a forma de
onda de pulso desejada. Também pode ser um oscilador auto-excitado cujo comportamento é governado pela impedância da bobina. O
oscilador deve ser capaz de gerar uma corrente senoidal variável no
tempo em frequências que variam tipicamente de menos que 1 KHz a 6 MHz.
3.5.2 Energização
A bobina da sonda usada como dispositivo de energização é um fio de cobre isolado enrolado em um molde adequado. Estabelece acoplamento essencial entre o aparelhos de correntes parasitas e o material ensaiado. A
corrente de excitação da bobina é alimentada pelo gerador ou oscilador
da unidade, que por sua vez se torna a base da indução de correntes
parasitas na amostra. Diferentes tipos de sondas são usados em vários arranjos para atingir o propósito específico. A
maioria dos instrumentos de corrente parasita usa ponte CA para
detectar pequenas mudanças de impedância entre as bobinas ou entre uma
única bobina e a impedância de referência. A maioria dos instrumentos pode operar com impedâncias de sonda entre 10 e 200 Ohms.
3.5.3 Sistema de Medição
A
impedância da sonda (ou tensão) muda apenas ligeiramente à medida que a
sonda passa por um defeito, normalmente menos de 1%. Esta pequena mudança é difícil de detectar medindo impedância absoluta ou tensão. Instrumentos
especiais foram desenvolvidos incorporando vários métodos de detecção e
amplificação de pequenas mudanças de impedância.
A ponte CA, uma vez balanceada (em uma região sã da peça inspecionada), quando da presença de um defeito nas
proximidades de uma bobina cria um pequeno sinal desbalanceado que é
então amplificado. Como
o sinal de tensão de desequilíbrio senoidal é muito difícil e
ineficiente de analisar, ele é convertido em um sinal de corrente
contínua (CC) mantendo as características de amplitude e fase do sinal
CA. Isso normalmente é
obtido resolvendo o sinal CA em componentes de quadratura e, em
seguida, retificando-os, mantendo a polaridade apropriada. Em instrumentos de uso geral, esses sinais são normalmente exibidos em monitores XY (tela plana). Alguns detectores de trincas possuem um medidor para exibir apenas a mudança na amplitude da tensão.
3.5.4 Balanço / Equilíbrio / Compensação / "Null"
A impedância da bobina é normalmente balanceada usando um circuito de ponte CA. Um circuito de ponte comum é mostrado na forma geral da FIG. 3.16. Os braços da ponte estão sendo indicados como impedância de tipos não especificados. O detector é representado por um voltímetro. O equilíbrio é garantido por ajustes de um ou mais dos braços da ponte. O
equilíbrio é indicado pela resposta zero do detector, o que significa
que os pontos B e C estão no mesmo potencial (têm a mesma tensão
instantânea). A corrente
fluirá através do detector (voltímetro) se os pontos B e C nos braços
da ponte estiverem em diferentes níveis de tensão. A corrente pode fluir em qualquer direção dependendo se B ou C está em maior potencial.
FIG. 3.16. Circuito de ponte simples.
Se a ponte for composta por quatro braços de impedância, com
componentes indutivos e resistivos, a tensão de ABD deve ser igual à
tensão de ACD tanto em amplitude quanto em fase para que a ponte seja
balanceada. No equilíbrio:
I1 . Z1 = I2 . Z2 e I1 . Z3 = I2 . Z4
(3.3)
Da equação acima temos:
Z1 / Z2 = Z3 / Z4
(3.4)
A equação (3.4) afirma que a razão da impedância do par de braços
adjacentes à direita deve ser igual à razão da impedância do outro par de braços
adjacentes à esquerda para o equilíbrio da ponte.
Em um circuito de ponte típico em instrumentos de correntes parasitas como mostrado na FIG. 3.17., as bobinas das sondas são colocadas em paralelo com os resistores variáveis. O balanceamento é obtido variando esses resistores até que a condição de nulo ou balanceamento seja alcançada.
FIG. 3.17. Arranjo de Ensaio Comum
3.5.5 Amplificador e Filtro
Amplificadores de sinais eletrônicos em equipamentos de ensaio por
correntes parasitas variam muito em seus requisitos de projeto,
dependendo de onde estão na cadeia de sinal. Eles
devem acomodar frequências que variam de frequências portadoras tão
altas quanto a faixa MegaHertz a sinais de modulação de anomalia que
podem descer até CC. A faixa dinâmica dos sinais a serem amplificados pode variar de microVolts na sonda a dezenas de Volts para exibição.
A amplificação do sinal desenvolvido através da ponte requer, portanto, o uso de um amplificador diferencial. Tal amplificador produz uma saída proporcional à diferença entre os sinais em seus terminais de entrada. Também
é possível usar um elemento de isolamento, como um transformador, para
converter o sinal diferencial em um único sinal referenciado ao terra
e, em seguida, um amplificador de extremidade única comum pode ser
usado. A saída do
primeiro amplificador diferencial pode ser tomada como de terminação
simples e os estágios de amplificação subsequentes são geralmente de
terminação única.
Em um instrumento de uso geral, a amplitude do sinal de saída da ponte é controlada pelo controle "GAIN" (GANHO). Em alguns instrumentos é rotulado como "SENSITIVITY" (SENSIBILIDADE). Controla o amplificador do sinal de saída da ponte. A
pré-amplificação é uma técnica comumente usada para aumentar a
sensibilidade da inspeção, fornecendo maior tensão de acionamento da
sonda.
Existem muitas situações que requerem o uso de uma rede de filtros para modificar uma tensão ou corrente variável no tempo. Os
filtros são usados para eliminar todas as variações de tempo de uma
tensão, para selecionar apenas uma faixa estreita de frequências
senoidais de uma tensão variável no tempo ou para selecionar todas as
frequências acima ou abaixo de um determinado valor. Um caso simples é o de obter uma tensão constante a partir de uma tensão CA retificada. Um
circuito de filtro é usado com um retificador para suavizar as
variações de tensão no tempo para qualquer extensão necessária na
aplicação.
3.5.6 Demodulação
Depois que o sinal do transdutor é amplificado para um nível adequado,
ele deve ser processado para extrair a modulação impressa nele pelas
descontinuidades da peça ensaiada. Isso requer demodulação por um circuito detector. O
tipo mais simples é um detector de amplitude ou envelope que consiste
em um diodo e um filtro passa-baixa ou às vezes um detector de pico. Tal detector fornece uma saída proporcional à amplitude do sinal, mas independente de seu ângulo de fase.
Um detector sensível à fase é usado para recuperar as informações contidas no ângulo de fase elétrica do sinal. O
projeto do detector e a seleção da amplificação antes e depois da
detecção são influenciados por várias considerações de projeto. Entre
eles estão os requisitos de linearidade, resposta transiente ou super
excitação ("overdrive"), nível de ruído e acionamento do sinal de saída.
3.5.7 Mostrador ("Display")
Quando uma indicação do ensaio de corrente parasita é pequena, pode ser
necessário exibir mais do que um simples medidor numérico. Uma
apresentação de tela XY permite um exame detalhado de uma resposta de
ensaio para que uma operação possa detectar indicações de sinais sutis
(pequenos). Vários formatos de sinais de tela são possíveis com seleção dependendo da natureza e finalidade do ensaio.
Método de apresentação de elipse (histórico)
Na apresentação de elipse, a saída de tensão CA amplificada da bobina
de ensaio é aplicada diretamente à exibição sem um detector. O sinal horizontal não é uma forma de onda de varredura tipo "dente de serra", mas um sinal senoidal derivado da portadora.
Várias propriedades do objeto ensaiado, como variações nas dimensões,
condutividade elétrica (relacionada à liga, composição química), permeabilidade
(relacionada à microestrutura em aços) ou trincas na superfície, podem
ser determinadas a partir das formas dos padrões de tela exibidos pelos
instrumentos de ensaio de elipse.
Método de apresentação de tempo base linear (histórico)
O método de tempo base linear usa uma varredura horizontal linear
que é de aproximadamente um ciclo da frequência de corrente parasita em
termos de duração. Isso resulta em uma tela que mostra um único ciclo da frequência de correntes parasitas. A tela ("display") não mostra um sinal demodulado, mas mostra a portadora amplificada diretamente. Esse tipo de exibição é bastante semelhante à apresentação de elipse. A
única diferença é que em uma apresentação de elipse uma onda senoidal é
usada para deflexão horizontal em vez da forma de onda tipo "dente de serra".
Método de apresentação de do plano de impedância (Método de ponto vetorial)
Se uma
apresentação das relações de fase das tensões do transdutor for desejada,
uma apresentação XY fornece a representação mais completa e de fácil
compreensão das tensões em uma forma conhecida como plano de
impedância, ponto vetorial, vetor ponto ou exibição de fase. Neste
tipo de tela ("display"), a posição das indicações na tela é feita
para representar a impedância complexa da ponte de prova resolvida em
eixos reais e imaginários. A amplitude do sinal é representada por sua distância de um ponto balanceado. O ângulo de fase elétrica é representado pelo ângulo geométrico em relação ao ponto de equilíbrio.
Um oscilador alimenta a ponte da sonda e a tensão de saída da ponte é combinada com um sinal de supressão de portadora. Isso permite que o operador do ensaio mova o campo de visão na tela para qualquer ponto no plano de impedância. Um controle permite o movimento na direção imaginária (direção da reatância no plano de impedância). O outro controle permite o movimento na direção real (direção da resistência no plano de impedância). O
resultado é análogo a mover o campo de visão de um microscópio operando
a platina mecânica que transporta o objeto sob inspeção. Os
controles de supressão de portadora obtêm seus sinais de acionamento de
uma rede de mudança de fase conectada ao oscilador de portadora. O amplificador portador aumenta a tensão do sinal balanceado do transdutor.
Em ampliações muito altas, apenas uma parte muito pequena do plano de impedância é mostrada na tela. O
sinal de saída do amplificador é aplicado a um par de detectores de
fase e depois aos amplificadores horizontais e verticais que acionam a
tela. As saídas do
detector de fase correspondem aos componentes do sinal do ensaio de
corrente parasita que se encontram em uma direção específica no plano
de impedância. Os
detectores de fase recebem seu sinal de referência dos desfasadores de
fase que são variáveis em fase em relação à portadora (na faixa de 0
a 360 graus), mas que estão sempre a 90 graus de separaçãao (ângulo) um do outro.
O canal vertical contém
então componentes de sinal na direção perpendicular (no plano de
impedância) à direção selecionada para o canal horizontal.
Noções básicas do plano de impedância
Efeito da Frequência Na FIG. 3.18
os pontos A, B, C, D e E no plano de impedância real representam o aumento
da impedância da bobina (XL) devido ao aumento da frequência (pontos da sonda no
ar). A partir de cada um
desses pontos, a seta representa o valor da impedância da corrente
parasita, cada uma aumentando em amplitude com a frequência. A
curva dos loci desses valores representa os pontos de equilíbrio que
mudam com o aumento da frequência. Como XL = 2πfL, a reatância indutiva
da bobina e a reatância indutiva das correntes parasitas aumentam com a
frequência. No entanto, o aumento da frequência aumenta a indutância da bobina no ar (Lo)
em maior quantidade. Pela divisão da reatância indutiva por Lo o ponto
do ar permanece unitário e o aumento correspondente da impedância das
correntes parasitas devido a mudança na frequência faz com que o ponto
no diagrama se mova para baixo com relação a ponto fixo (normalizado)
do ar mostrado no diagrama plano de impedância normalizado a direita
(FIG 3.18b).
FIG. 3.18. Efeito da Frequência em (a) curva não normalizada (b) curva normalizada.
Efeito da Condutividade
Como visto na FIG. 3.18
colocar a sonda em um material condutor fez com que o ponto se movesse
devido ao efeito das correntes parasitas no circuito da bobina. Ao
colocar a sonda em uma variedade de materiais de diferentes
condutividades, uma variedade de posições de pontos diferentes pode ser
observada. Se esses pontos forem unidos, será desenhada uma curva que representa as mudanças na condutividade. Os materiais com a maior condutividade terão as correntes parasitas mais fortes e, portanto, o vetor resultante será maior. Assim, o material com as maiores condutividades aparecerá na parte inferior da curva (o mais distante do ponto de ar). A curva de impedância resultante é mostrada na FIG. 3.19.
Nota 1: Todos os materiais que aparecem na curva de condutividade são não ferrosos e têm uma permeabilidade relativa de 1.
Nota 2: A curva de condutividade pode ser considerada seguindo a mesma linha que a curva de frequência normalizada
FIG. 3.19. Efeito da Condutividade na curva normalizada
Efeito do Lift Off e Manuseio
da Sonda
Com
a sonda em contato com um pedaço de material (Alumínio) o ponto aparecerá
na curva de condutividade no ponto para Alumínio (Ponto de Equilíbrio).
Se a sonda for então levantada do material, o ponto se moverá ao longo de um vetor em direção ao Ponto de Ar, veja a FIG. 3.20. Esta linha representa o 'Lift Off' e pode ser usada para medir mudanças na espessura de revestimento.
De maneira semelhante, se a sonda estiver inclinada em relação à superfície, o ponto se moverá ao longo do mesmo vetor. Este efeito é conhecido como 'manuseio da sonda' (no inglês, "probe handling"). Para
garantir que o ponto seja estável durante a varredura, é importante
garantir que a sonda seja mantida em um ângulo constante em relação à
superfície do material durante a varredura. Isso às vezes pode ser auxiliado pelo uso de suportes e guias de sonda.
FIG. 3.20. Efeito do lift-off e manuseio da sonda na curva normalizada
Efeito da Geometria
Com
a sonda em uma amostra de material condutor e o ponto do gráfico de
impedância no ponto de equilíbrio, o instrumento é balanceado. Se
a sonda agora for movida (escaneada) em direção à borda do material, o ponto
se moverá devido à mudança na geometria do componente. Inicialmente,
quando a sonda atinge a borda do material, o campo de correntes
parasitas é comprimido e um campo de correntes parasitas menor e mais
fraco é produzido. O efeito é o mesmo que uma redução na condutividade e o ponto sobe na curva de condutividade. Movimento adicional em direção à borda faz com que a sonda se mova
atinja a borda e um efeito semelhante ao lift-off faz com que o
ponto no gráfico se mova em direção ao ponto de ar. Este movimento composto é mostrado na FIG. 3.21.
FIG. 3.21. Efeito da geometria (efeito de borda) na curva normalizada.
Efeito da permeabilidade
Um aumento na permeabilidade do material tem influência direta no campo
magnético das bobinas causando um aumento na Reatância Indutiva (XL)
das bobinas. O efeito disso é que o ponto se moverá verticalmente para cima na tela (Reatância indutiva crescente (XL)). Diferentes
posições na curva de condutividade causarão uma mudança na relação
entre os ângulos de fase para variações de Lift Off, Trinca e
Permeabilidade. A FIG. 3.22 mostra que a diferença angular em baixa frequência é diferente daquela em uma frequência mais alta para o mesmo material.
FIG. 3.22. Efeito da permeabilidade na curva normalizada.
Efeito das Descontinuidades
A presença de uma descontinuidade resultará na interrupção das
correntes parasitas, reduzindo efetivamente a condutividade local. Dependendo
da profundidade e largura da descontinuidade, a indicação produzida
será um sinal composto com um ângulo de fase maior que o vetor de
descontinuidade (FIG. 3.23).
FIG. 3.23. Efeito da descontinuidade na curva normalizada.
Observação: O sinal de lif-off está posicionado na horizontal, como na inspeção típica.
3.5.8 Rotação de Fase
Em um instrumento com ajuste de fase, a supressão de um sinal
indesejado é feita mais facilmente girando a apresentação na tela até que o
movimento do ponto resultante da condição indesejada esteja no eixo
horizontal (mais comum) ou vertical. Isso
significa que a condição indesejada estará presente em apenas um canal
de fase do instrumento (por exemplo, só no registro gráfico Y) e ausente ou minimizada no outro.
A
aplicação de ganho diferencial nos eixos permite amplificação de sinais
de interesse (no eixo amplificado) e supressão de ruído (no outro
eixo).
Muitas vezes, é conveniente girar os efeitos indesejados na direção horizontal ao fazer um ensaio. Outros
ângulos de rotação da tela podem ser selecionados para separar dois ou
mais efeitos desejados em quadrantes separados da tela para
conveniência na monitoração com janelas ("gates") nos diferentes canais.
3.5.9 Filtro de Saída
Em um instrumento de ensaio por correntes parasitas, é necessário separar
os sinais de ensaio do ruído para garantir a máxima detectabilidade do
sinal na saída. Essa separação é feita usando vários tipos de filtros. As fontes típicas de sinais de ruído indesejados podem ser classificadas da seguinte forma:
- (a) Campos magnéticos e elétricos externos, dispersos.
- (b) Vibrações mecânicas do material ensaiado ou das bobinas de ensaio.
- (c) Variações nas propriedades do material ensaiado que não são de interesse durante o teste específico; e
- (d) Ruído elétrico gerado no instrumento de ensaio de correntes parasitas.
3.6. Diferentes tipos Usuais de Aparelhos
3.6.1 Monoparâmetro, Monocanal e Aparelho Especializado
No método de ensaio de correntes parasitas, o aparelho projetado para
uma determinada finalidade ou aplicação detecta de certa forma uma
alteração na impedância da bobina de ensaio que pode ser causada por
diversos parâmetros. Entre os fatores relacionados às propriedades do material estão a condutividade, a dimensão e a permeabilidade. Os
fatores dimensionais que afetam o ensaio de correntes parasitas são a
espessura do material e a presença de descontinuidades. Da mesma forma, a permeabilidade é um fator de preocupação para materiais ferromagnéticos ensaidados. Fatores
geométricos das bobinas, como a relação geométrica entre a bobina e as
descontinuidades suspeitas, o efeito de mudanças no fator de acoplamento (lift-off)
ou fator de enchimento (fill factor) e profundidade de penetração, também afetam o ensaio de
correntes parasitas.
Há, portanto, uma forte necessidade de saber precisamente qual fator
causou a mudança na impedância entre vários parâmetros influentes no resultado do ensaio. Os
aparelhos de correntes parasitas classificados como monoparâmetros
utilizam certos circuitos e princípios pelos quais indicam
exclusivamente a medição da variável de interesse. Poucos desses instrumentos são descritos resumidamente.
Detectores
de trincas
Os detectores de trincas são usados para inspecionar defeitos na superfície. Em um detector de trincas típico, como mostrado na FIG. 3.24,
um oscilador fornece corrente alternada para uma ponte CA, contendo uma
bobina que funciona como a sonda de corrente parasita como um braço da
ponte. Um
capacitor é conectado em paralelo com a bobina de modo que o circuito
LC (indutância-capacitância) esteja próximo da ressonância.
FIG. 3.24. Circuito simplificado de um detector de trincas.
Quando a bobina é colocada na amostra ensaiada, a ponte fica
desequilibrada e o ponteirodo galvanômetro, de resposta do ensaio,
oscila para fora do ponto de equiçíbrio. A ponte pode ser balanceada ajustando R1. Como o medidor funciona em frequência ressonante, a tensão de saída é máxima para uma dada mudança na impedância da bobina.
Os detectores de trincas têm uma saída de medidor e três controles básicos: balanço, lift-off sensibilidade. O
controle de balanceamento é realizado ajustando o potenciômetro no
braço da ponte adjacente, até que a saída da ponte seja zero ou quase zero. O ajuste do controle 'GAIN' (ganho, sensibilidade) ocorre na saída da ponte. O sinal é então retificado e exibido no medidor. O controle 'LIFT OFF' ajusta a frequência de ensaio (em menos de 25%) para operar só um pouco fora da ressonância. A
frequência de ensaio é escolhida para compensar a oscilação da sonda
(lift off), não para alterar a profundidade de penetração ou a fase do sinal resposta. A saída do medidor
é uma função complexa da amplitude do sinal e não pode ser usada para
medir a profundidade de forma confiável ou para distinguir entre
indicações reais e falsas, como inclusões ferromagnéticas.
Medidores de condutividade
Neste caso, um medidor de condutividade é definido como um instrumento
simples projetado apenas para verificar a condutividade de vários tipos
de materiais e suas ligas. A escala do instrumento pode ser (e muitas vezes é) leitura direta em % IACS. A
maioria dos instrumentos é equipada com botões de calibração para que
as leituras de alta e baixa do medidor possam ser ajustadas de acordo
com os padrões de alta e baixa condutividade fornecidos com o
equipamento. Esses
instrumentos são mais frequentemente usados na classificação de
materiais, mas podem ser usados para determinar a espessura de
revestimentos condutores. Eles são de frequência fixa e não fornecem nenhuma indicação da relação de fase da corrente de tensão.
Ao usar o medidor de condutividade, o inspetor deve estar
continuamente ciente dos fatores que afetam a condutividade (espessura
dos materiais, presença de descontinuidade, efeito de borda, acoplamento
e efeito do tratamento térmico) antes de chegar a qualquer conclusão
final. Os
instrumentos de classificação de materiais ou condutividade têm uma
saída de medidor pré-calibrada e uma maneira única de compensar o lift-off. Eles incorporam pontes CA e normalmente possuem duas bobinas (uma como referência). A compensação de lift-off é normalmente predefinida.
Aparelhos de Medição de Resistência e Reatância (Circuitos de Medição de Impedância)
O aparelho projetado é capaz de medir qualquer variável quando utilizado com o diagrama plano de impedância. A frequência de ensaio adequada para o teste proposto é selecionada primeiro. O tipo de material envolvido e as variáveis a ser medida e a ser suprimida determinam a frequência ideal. Ao
selecionar a frequência a ser usada para um determinado ensaio, é
necessário obter padrões de referência e realizar testes em várias
frequências e, em seguida, selecionar a frequência que fornece os
melhores resultados. Uma vez que a frequência tenha sido selecionada, as curvas do plano de impedância são plotadas. Para traçar o locus ou curva de condutividade, são necessárias amostras de diferentes materiais. Para cada material é obtido um ponto na curva de condutividade como segue:
- (a)
A sonda é colocada em uma amostra e o ajuste alternado dos controles de
resistência e reatância é feito até que a leitura nula (mínima) seja
obtida. O uso do controle de escala é feito para manter as leituras na escala o tempo todo. A
repetição do procedimento acima em configurações de sensibilidade mais
altas é feita até que um ponto nulo absoluto seja obtido. Os valores de resistência e reatância são anotados no controle e este ponto no papel quadriculado é plotado.
- (b) O procedimento acima é repetido para cada amostra de material. Agora,
se o lift-off variável deve ser suprimido, o lift-off é variado
colocando-se uma espessura variável de papel entre o material e a
sonda. Para cada configuração, temos os valores de resistência e reatância e seu gráfico fornece a curva de lift-off. Para
a medição de condutividade, é necessário realizar a operação em um
ponto onde a curva de condutividade e a curva de lift-off se encontrem
nas maiores defasagens.
3.6.2 Aparelho Multiparâmetro e Multicanal
Com base na discriminação de fase de frequência única, torna-se cada
vez mais difícil detectar descontinuidades de tubulação de tamanho
muito pequeno, especialmente na vizinhança imediata de artefatos de
interferência de sinal, como suporte de tubos, defletores de fluxo e espelhos de montagem do trpcadpr. Dependendo
de uma determinada frequência de operação e gravidade da
descontinuidade, o sinal de tal interseção pode ou não ser identificado
e certamente não pode ser caracterizado de forma confiável. Esta condição é causada pela soma vetorial de vários sinais combinados simultaneamente para formar um sinal distorcido. Os
equipamentos que empregam as técnicas de análise multifrequencial e
multiparâmetro auxiliam na minimização dos efeitos de variáveis
indesejáveis para uma inspeção melhor e confiável dos tubos.
Todos esses instrumentos consistem em (1) um sistema de detecção que
fornece uma componente real X e uma componente imaginária Y para cada
frequência; e (2) o sistema de análise que é sua principal característica.
Aparelho de Ensaio Multifrequência
Um instrumento de ensaio de multifrequência
geralmente é uma combinação de dois ou mais instrumentos de frequência
única.
Vários componentes de um instrumento de duas frequências estão listados abaixo:
- (a) Um oscilador, que gera as tensões senoidais necessárias para a geração e demodulação de correntes parasitas.
- (b) Um amplificador de potência, frequentemente seguido por um transformador de casamento de impedância.
- (c) Uma ponte contendo o transdutor.
- (d) Um sistema de equilíbrio/balanço.
- (e) Um amplificador de sinal de ganho variável.
- (f) Um demodulador, que extrai os componentes resistivos e reativos do sinal.
- (g)
Um sistema de rotação de fase de 0-360 graus que emite os sinais usados
para análise (X1 e Y1 para a frequência do canal F1 e X2 e Y2 para a
frequência do canal F2)
A característica especial deste sistema é que os dois canais usam
apenas um transdutor para induzir correntes parasitas e receber dados
do objeto de teste.
Existem dois tipos básicos de sistemas multifrequenciais. Eles
são separados aqui de acordo com se a alimentação multifrequencial é
fornecida à sonda simultaneamente ou sequencialmente para cada
instrumento, a maneira como a alimentação é fornecida à sonda, a
maneira como os sinais recebidos são separados e o tipo de demodulação
são importantes considerações.
3.7. Dispositivos auxiliares
3.7.1 Dispositivos Auxiliares para Aquisição de Sinal
A exibição de um sinal com amplitude e fase em uma tela mostra o máximo de informações sobre um sinal de corrente parasita. Além
das exibições feitas na tela, existem outros dispositivos instituídos
para aquisição do sinal de correntes parasitas para interpretação e
avaliação das indicações. Alguns desses dispositivos auxiliares são discutidos resumidamente como abaixo.
Exibições de medidores analógicos
Em alguns casos em que o procedimento de ensaio está bem estabelecido ou
quando é necessário apenas exibir a magnitude da resposta da condição
de interesse, pode ser suficiente usar um dispositivo de saída simples
e barato, como um medidor de painel analógico. Um medidor pode ser usado para exibir um sinal detectado por fase ou um sinal detectado por amplitude. O ponteiro de um medidor analógico típico se moverá de zero a escala total em aproximadamente 0,5 segundos. Este tempo de subida é equivalente a uma largura de banda de sinal de aproximadamente 0,6 Hz. Um medidor analógico é útil apenas em testes onde a varredura é feita em velocidade lenta.
Mostradores Alfanuméricos Digitais
Quando o sinal exibido pode estar relacionado a uma quantidade
numérica, como condutividade ou lift-off da sonda, em vez de apenas
uma leitura relativa, como uma resposta de trinca, pode ser
desejável usar um mostrador digital que tenha mais precisão e resolução
em potencial do que um medidor analógico. Um
medidor digital contém um conversor analógico-digital (para alterar a
tensão de entrada para um número) e uma leitura digital para exibir
esse número.
Os visores digitais adequados para uso do instrumento estão disponíveis em formato de segmento e de matriz de pontos. As
principais tecnologias de exibição são diodos emissores de luz (LED),
telas de cristal líquido (LCD), fluorescentes a vácuo (CRT de baixa
tensão com segmentos de exibição revestidos de fósforo),
eletroluminescente (fósforo de saída elétrica de alta tensão) e plasma
de gás (alta tensão, neon gás, descarga incandescente).
De particular importância em exibições alfanuméricas de indicações de
teste de correntes parasitas é a possibilidade de exibir palavras e
números para identificar:
- (a) A natureza da descontinuidade ou variação de propriedade no material ensaiado
- (b) A gravidade da variação das condições do padrão de referência
- (c) As localizações da descontinuidade no material ensaido.
As apresentações de resultado da inspeção também podem incluir a identificação da condição
detectada, sua localização no objeto ensaido ou seu nível de
gravidade. Palavras como trincas, redução de espessura e outros descritores podem ser exibidas. Outras
palavras como OD (diâmetro externo), ID (diâmetro interno), superfície
ou subsuperfície, longitudinal ou transversal, ou identificações
numéricas de locais no objeto ensaido também podem ser exibidas. O
grau de variação ou as dimensões das descontinuidades (como
comprimentos de trincas ou costuras ["seams"]) podem ser exibidos
numericamente ou em faixas codificadas, como números de 1 a 10.
Combinações de tais descritores podem fornecer ao inspetor do ensaio
informações muito mais úteis do que um simples aviso leve. Tal
mostrador pode permitir uma interpretação quantitativa, bem como uma
avaliação qualitativa dos sinais em comparação com mostradores digitais
simples, onde o operador deve avaliar a condição do objeto ensaiado
para cada indicação significativa. A
leitura do teste interpretativo pode ser transmitida para um computador
remoto ou para uma impressora, fornecendo um registro de inspeção
interpretável pela administração, supervisores de inspeção, inspetores
externos ou outras agências.
Indicadores de gráfico de barras digitais
Os valores numéricos intermitentes são difíceis de interpretar quando os sinais estão mudando rapidamente. Se for desejável mostrar uma tendência de sinal, é possível usar uma exibição de gráfico de barras. Isso
pode assumir a forma de uma exibição especial que consiste em um grande
número de segmentos ativados em sequência para simular o movimento
mecânico de um ponteiro analógico. Um
mostrador numérico ou alfanumérico padrão também pode ser usado dessa
maneira em uma resolução mais baixa, ativando segmentos individuais ou
pontos em sequência. Existem dois modos comuns para este tipo de exibição. O primeiro é o modo gráfico de barras, no qual todos os segmentos até o valor exibido são ativados. Alternativamente, apenas o segmento que representa o valor de exibição pode ser ativado. Este
tipo de tela está comumente disponível em tela de cristal líquido
(LCD), diodo emissor de luz (LED) e forma de tela de plasma.
3.7.2 Dispositivos Auxiliares para Redução de Ruído
Mecanismo de acionamento são frequentemente empregados para aumentar a velocidade e confiabilidade da inspeção. Aplicações comuns são inspeção de tubos, inspeção de furos de parafusos e varredura de áreas. Velocidades
de varredura constantes em conjunto com a seleção de filtro apropriada
são necessárias para minimizar o ruído e maximizar a confiabilidade e a
sensibilidade.
Unidade de saturação
O ensaio de correntes parasitas de tubos soldados de aço austenítico é
sempre acompanhado da necessidade de magnetização da peça durante a
varredura da sonda de correntes parasitas. Pequenas
permeabilidades localizadas na ausência de magnetização auxiliar levam
a um nível de ruído que impede alta sensibilidade durante o ensaio. As
flutuações podem ser decorrentes do processo de aquecimento e
resfriamento causado durante a soldagem, ou podem estar presentes no
material da chapa utilizada na confecção dos tubos.
A construção de uma sonda baseado em um suporte para enrolamento da bobina com um ímã
permanente antes e depois da bobina de ensaio, ajuda a induzir
magnetização suficiente para reduzir o nível de ruído. Da
mesma forma, uso de sapatas polares (funcionando como entreferros) para concentrar e guiar o campo na
superfície do tubo são usadas às vezes para materiais altamente
magnéticos.
Desmagnetizadores
Os ensaios de correntes parasitas respondem especificamente apenas à
condutividade elétrica, permeabilidade magnética, propriedades
geométricas dos objetos ensaiados e à relação espacial das sondas com as superfícies dos objetos ensaiados (lift-off). Muitas
outras propriedades do material podem estar relacionadas a essas
medições primárias do ensaio de correntes parasitas, mas a prova de tal
correlação (curva de correlação ou de calibração) deve ser obtida para cada caso. Em
particular, muitos fatores metalúrgicos diferentes (como microestrutura da
liga, tratamento térmico, trabalho a quente ou a frio e outras etapas
de processamento) podem influenciar a condutividade ou a permeabilidade
do material. O magnetismo residual em aços e materiais ferromagnéticos pode afetar as indicações do ensaio de correntes parasitas. Às vezes é extremamente difícil separar os fatos desejados dos indesejados (indicações espúrias).
O uso de desmagnetizadores é, portanto, às vezes necessário para
eliminar o magnetismo existente dentro da peça de teste para realizar
uma inspeção de corrente parasita bem-sucedida.
3.7.3 Equipamentos para Armazenamento e Registro de Sinais
Gravadores de Sinais Componentes do Plano de Impedância (Registrador Gráfico = "Strip Chart Recorders")
O sinal de corrente parasita é gravado no gravador XY ou de dois canais. A
característica importante desses instrumentos de registro é a resposta
em frequência ou resposta em velocidade, o que limita as velocidades de
inspeção. Registradores gráficos registram componentes de sinal X e Y em relação ao
tempo, que é usado para localizar defeitos e determinar seu
comprimento.
Gravadores de fita magnética
Gravadores de fita magnética permitem o armazenamento de sinais de
correntes parasitas em fita magnética para posterior recuperação. Eles têm uma resposta de frequência proporcional à velocidade de gravação.
N.T.: Com a evolução da eletrônica e da micro informática os aparelhos
digitais de corrente parasitas estão associados a computadores de forma
que o armazenamento de dados é na forma de arquivo digital.
Memórias
digitais Numéricas
Os visores numéricos digitais são adequados se a tensão tiver significado como um valor numérico. Este tipo de mostrador é ideal quando usado na medição de condutividade elétrica ou espessura de revestimento.
Aquisição e Armazenamento de Sinais Digitais
em Tela
Alguns instrumentos que apresentam o resultado numa tela que representa o plano de impedância permitem a aquisição de
dados do plano de impedância elétrico para salvar, exportar e sobrepor
comparações da tela.
3.7.4 Sistema para processamento automático de sinais
Um sistema de ensaio de correntes parasitas pode variar de simples a mais sofisticado, dependendo de seu escopo de aplicação. A cadeia básica de circuitos na maioria dos sistemas de ensaio eletromagnético automático executa seis funções internas. Essas funções são:
- (a) Excitação.
- (b) Modulação.
- (c) Preparação do sinal.
- (d) Demodulação e análise do sinal.
- (e) Exibição do sinal.
- (f) Manipulação de objetos ensaiado.
A
integração de tal cadeia de funções e instrumentos avançados adicionais
semelhantes mantém de uma forma ou de outra para processar os sinais
automaticamente. Excitação - O oscilador fornece sinais de excitação do conjunto da bobina de ensaio. Pode
ser um gerador senoidal de frequência única e amplificador de potência,
um gerador de forma de onda senoidal múltipla e amplificadores de
potência, ou um gerador de pulso que fornece a forma de onda de pulso
desejada. Também pode ser um oscilador auto-excitado cujo comportamento é governado pela impedância da bobina de ensaio.
Variações na impedância da bobina causadas por variações nas condições
do objeto ensaiado produzem mudanças no desempenho do oscilador. Estas podem ser mudanças na frequência ou amplitude de oscilação ou ambas. Seus efeitos são demodulados e enviados para os circuitos de exibição ou leitura. Algum grau de discriminação contra uma variável de teste indesejada pode ser obtido ajustando os circuitos do oscilador.
Modulação
A modulação do sinal ocorre no campo eletromagnético da bobina ou bobinas de ensaio. As
bobinas de ensaio são rotuladas como "conjuntos de bobinas de ensaio"
devido à variedade de configurações em que esta parte do aparelho
pode aparecer. O
equipamento de montagem da bobina de ensaio para seu emprego na inspeção geralmente está intimamente
relacionado mecanicamente ao equipamento de manuseio do objeto ensaiado
a ser discutido posteriormente.
Preparação
do sinal
A parte de preparação de sinal do aparelho de ensaio
consiste em circuitos que preparam a saída de sinal dos conjuntos de
bobinas de ensaio para as seguintes funções de demodulação e análise. Esses
circuitos consistem em redes de compensação ou balanceamento CA que
subtraem um componente CA constante do sinal de entrada. Filtros
são frequentemente incluídos para melhorar a relação sinal/ruído ou
para separar diferentes sinais de portadoras no caso de ensaios com
multifrequência. Circuitos de modelagem de sinal às vezes são incluídos. Uma
parte importante relativa a preparação do sinal no aparelho são os amplificadores que
amplificam o sinal até o nível desejado para o processo de demodulação
e análise.
Demodulação e Análise
A seção de demodulação e análise do equipamento é composta por detectores e analisadores. Os
detectores variam de detectores de amplitude do sinal simples a detectores de
fase do sinal ou circuitos mais altamente especializados. Para os detectores coerentes, um sinal de referência é fornecido da seção do gerador. Circuitos de amostragem e discriminadores podem ser incluídos na seção de análise. Vários tipos de circuitos de soma e comparação também podem ser usados aqui. Filtros
também podem ser incluídos para filtrar o sinal demodulado para
acentuar ou discriminar certas características do sinal.
Exibição de sinal
A parte de exibição ou indicação do sinal do equipamento é o vínculo
real entre o equipamento de ensaio e sua finalidade pretendida. O
sinal pode ser exibido pelo uso de medidores, gravadores, telas, sinais
de alarme visuais ou sonoros, saídas de relé e equipamentos de
sinalização automática ou rejeição.
Manipulação de objetos de ensaio
Dependendo da natureza dos ensaios, as necessidades de equipamentos de
manuseio de objetos ensaiados podem ser mínimas ou podem exigir um
projeto mecânico muito complicado. Em alguns ensaios, os conjuntos de bobinas de ensaio são projetados de forma que sejam posicionados e mantidos manualmente. Nesse
caso, as demandas de equipamentos de manuseio de objetos de ensaio são
mínimas, e tudo o que é necessário é um local para colocar ou segurar o
objeto ensaiado enquanto ele está sendo inspecionado. Em
muitos ensaios, alimentadores mecânicos alimentam o objeto ensaiado ou
objetos além dos conjuntos de bobinas de ensaio para que os testes
possam ser feitos rapidamente sob condições uniformes. Tal equipamento requer coordenação no projeto da bobina de ensaio e do equipamento de alimentação. Tais testes são passíveis de operação automática completa.
A discussão acima foi feita para um conjunto de sinais ligados em vários
circuitos de interconexão incorporados para processamento automático e
aquisição de sinal na maioria dos instrumentos.
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