Ispitivanje vrtložnim strujama

Delić Emir

Rezime: U ovom seminarskom radu ukratko su dati osnovni zakoni elektromagnetizma kao osnova svih elektromagnetskih metoda ispitivanja u koje spada i ispitivanje vrtložnim strujama. Dati su osnovni principi nastanka vrtložnih struja i na koji način greške u materijalu utiču na vrtložne struje. Nakon toga navedeni su svi faktori koji utiču na odziv sonde pri ispitivanju vrtložnim strujama. Pojašnjen je pojam skin efekta tj. dubine prodiranja vrtložnih struja u materijal i uticaj frekvencije na dubinu prodiranja. Pojašnjen je fizikalni princip rada senzora, kao i podjela senzora od kojih je najznačajnija podjela prema načinu spajanja u mosne spojeve kao što su Wheatston-ov most ili Maxwell-Wien-ov most. Date su prednosti i nedostaci pojedinih vrsta senzora. Kao novije metode ukratko su pojašnjeni principi rada pulsirajuće vrtložne struje i njena primjena na otkrivanju korozije između višeslojnih aluminijskih limova u avio industriji. Negativna pojava pretvaranja el. energiju u toplotu iskorišćena je termografiju vrtložnim strujama čiji princip je također pojašnjen u ovom radu. Na kraju dati su područje primjene vrtložnih struja kao i referentni standard.

Ključne riječi: vrtložne struje, senzori, pulsirajuća vrtložna struja, termografija vrtložnim strujama, referentni standard, ispitivanje materijala.

Uvod

Ispitivanje materijala pomoću vrtložnih struja spada u metodu bez razaranja, koja koristi osnovne principe elektromagnetizma za otkrivanje grešaka u materijalu. Bitno je napomenuti da se ispitivanje vrtložnim strujama može vršiti samo na materijalim koji provode električnu struju, ali za razliku od drugih magnetnih metoda vrtložne struje se mogu koristiti i na magnetičnim kao i na nemagnetičnim materijalima.

Slični kao što se u kalemu žice inducira el. struja pod djelovanje promjenjivog magnetnog polja, i u masi (ploči) se induciraju kružne struje koje nastoje spriječiti promjenu magnetnog tok kroz vidič. Ove kružne struje nazivamo vrtložnim ili Foucaultove strujama po francuskom fizičaru Leonu Foucault (1819-1868).

Veliki broj ispitivanja i mjerenja se mogu izvršiti vrtložnim strujama kao što su: otkrivanje pukotina i uključaka, mjerenje debljine materijala, mjerenje debljine obloge, mjerenje električne provodljivosti i magnetske permabilnosti.

Najosnovni instrumenti za mjerenje sastoje se od izvora izmjenične struje, kalema žice spojenih na taj izvor, i od voltmetra za registrovanje promjene napona. Ispitivanje pomoću vrtložnih struja vrši se pomoću sondi koje se sastoje od zavojnice i jezgre koja može biti od feritnog ili od neferitnog materijala. Postoji više vrsta sondi koje se koriste u zavisnosti od vrste materijala, debljine, oblika koje se ispituje itd. Sonde se prvenstveno razlikuju po naćinu na koji se spajaju u mosni spoj tj. na mjerne mostove poput Wheatston-ovog ili Maxwell-Wien-ovog mosta.

Zbog ograničenog prodiranja u dubinu prilikom upotrebe klasične metode vrtložnih struja razvijena je i nova metoda koja koristi pulsirajuću vrtložnu struju. Signal pulsirajuće vrtložne struje sadrži spektar frekvencija, a pošto prodiranje struje u materijal zavisi od frekvencije odziv će sadržavati informaciju o stanju površine na različitim dubinama. Ova metoda je našla najveću primjenu u avio industriju pri ispitivanju višestrukih aluminijskih limova zavarenih difuzionim zavarivanjem.

Osnovni fizikalni principi elektromagnetizmaOsnovne veličine magnetskog polja

Osnovne veličine magnetskog polja su:

·

Jakost magnetskog polja:

· Magnetski tok Ф

To je veličina koja se može usporediti s električnom strujom, iako u sredini u kojoj vlada magnetskim tokom ništa ne teče. Usporedbu potiču linije magnetskog polja koje ilustriraju magnetski tok, slično kao što se može prikazati električni tok u elektrostatičkom polju.

Izvedena SI jedinica magnetskog toka Φ je Weber (1Wb=1Vs).

·

Magnetska indukcija (gustoća magnetskog toka):

To je količina magnetskoga toka Φ koji obuhvata površinu S gledano pod pravim uglom na tu površinu i vektorska je veličina. Usporediva električna veličina je gustoća struje. Iznos magnetske indukcije B definira se kao:

- za homogena magnetska polja(1.)

- za nehomogena magnetska polja(2.)

Slika 1. Magnetski tok B [1]

Veza između jakosti magnetskog polja i magnetske indukcije data je jednačinom:

(3.)

Gdje je μ magnetska permeabilnost koja se može izraziti kao:

(4.)

Gdje je:

- permeabilnost vakuma (zraka)

- relativna magnetska permeabilnost

Osnovni zakoni elektromagnetizmaOmov zakon za električni krug

Omov zakon predstavlja osnovni zakon za električni krug. On definiše odnos između tri osnovne električne veličine: struje, napona i otpora. Kada se dovede napon električnom krugu koji sadrži samo otpor, tok struje I prema Omovom zakonu prikazana je na slici 2.

Slika 2. Električni krug koji sadrži samo otpor R [2]

Zavojnica i njeno djelovanje u krugu u kojem protiče struja osnova je elektromagnetskih metoda odnosno naprava (sondi) za ispitivanje elektromagnetskih metoda. Slika 3. prikazuje RL spoj kroz koji protiče naizmjenična struja. Iz dijagrama napona i struje na slici 3. vidi se fazni pomak struje pri njezinom prolasku kroz zavojnicu. Prolaskom izmjenične struje kroz zavojnicu (idealnu, koja ima samo induktivni otpor XL) napona prednjači struji za 90º.

Slika 3. Strujni krug sa zavojnicom spojenom naizmjeničnu struju [3]

Zavojnicu ćemo ipak posmatrati kao realnu, što znači da osim svog induktivnog otpora XL sadrži i omski otpor R pa možemo zapisati da impedanciju zavojnice prema izraz:

(5.)

Gdje se induktivni otpor XL računa prema izrazu:

(6.)

gdje je:

f – frekvencija izmjenične struje, [Hz]

L– induktivitet zavojnice, [H]

Izraz 4. može se prikazati grafički koristeći vektorski prikaz preko trokuta impedancije:

Slika 4. Trokut impedancije [3]

Biot-Savartov zakon

Analiza magnetski polja temelji se na dva zakona: Biot-Savartovom i Amperovom zakonu proticanja. Biot-Savartov zakon opći je zakon magnetostatike.

Biot-Savartov zakon daje izraz za izračunavanje jakosti magnetskog polja uzrokovanog strujom koja teče kroz provodnik. Polje se računa u proizvoljnoj tački.

Slika 5. Biot-Savartov zakon [1]

Opći oblik Biot-Savartovog zakona glasi:

(7.)

Pri čemu je I jačina istosmjerne struje koja teče kroz provodnik.

Amperov zakon (zakon protjecanja)

Poseban slučaj Biot-Savartovog zakona je Amperov zakon, koji omogućava jednostavnu primjenu u praktičnim proračunima jakosti magnetskog polja. Amperov zakon glasi:

Linijski integral tangencijalne komponente jakosti magnetskog polja uzduž zatvorene konture s, jednaka je ukupnoj struji Iuk obuhvaćenoj tom konturom, tj:

(8.)

ili cirkulacija vektora po zatvorenoj konturi jednaka je ukupno obuhvaćenoj struji.

Skalarni proizvod definira tangencijalnu komponentu polja. Gornji integral predstavlja magnetski napon, odnosno magnetnomotornu silu-MMS, Θ. Slijedom navedenog Amperov zakon se može napisati i u obliku:

(9.)

Magnetski napon (MMS) uzduž zatvorene konture magnetskog polja jednak je ukupnom protjecanju struje kroz površinu obuhvaćenu tom zatvorenom konturom.

Zakon o očuvanju magnetskog toka (Gaussov zakon u magnetizmu)

Za pojašnjenje slijedećeg jako bitanog zakon u magnetizmu poslužiti će nam slika 6.

Slika 6. Dijeljenje štapićastog magneta u niz manjih magneta [4]

Budući da je nemoguće razdvojiti sjeverni pol od južnog pola, zaključujemo kako ne postoji izolirani magnetski naboj. Zbog toga ukupni magnetski tok kroz zatvorenu površinu mora biti jednak nuli. Nijedna silnica ne može početi ni završiti u prostoru ograničenom zatvorenom površinom, tj. sve silnice koje uđu u tu površinu moraju iz nje i izaći. Dakle:

(11.)

Ova jednadžba je Zakon o očuvanju magnetskog toka ili Gaussov zakon za magnetostatička polja, što je jedan od temeljnih zakona elektromagnetskih polja. Zakonom je utvrđen opisani princip neprekidnost silnica polja, odnosno činjenica da je magnetsko polje bezizvorno polje.

Faradayev zakon elektromagnetske indukcije

Faraday je 1831. godine dokazao da vremenski promjenljivo magnetsko polje stvara električnu struju. On je izveo niz pokusa sa dva svitka namotana na zajedničko jezgro. Na krajeve prvog svitka spojio je galvanometar, a drugi svitak spojio je serijski s baterijom i sklopkom. Otvarajući i zatvarajući sklopku primijetio je poskakivanje igle galvanometra. Zaključio je kako su vremenske promjene magnetskog toka odgovorne za induciranje napona (struje) u prvom svitku. Faraday je također primjetio da se napon inducira i pri kretanju vodljive petlje u konstantnom magnetskom polju.

Slika 7. Induciranje napona u pomičnoj petlji [4]

Inducirana EMS eind proporcionalna je brzini promjena magnetskog toka Φ. Brzina promjene neke veličine u općem se slučaju definira kao derivacija po vremenu (d/dt), pa je:

(12.)

Faradayev zakon elektromagnetske indukcije glasi:

Inducirana EMS u bilo kojem zatvorenom krugu jednaka je brzini promjene obuhvaćenog magnetskog toka.

Lentzov zakon

Negativan predznak u jednačini 12. pokazuje da inducirani napon djeluje u smislu opiranja toku koji ga je proizveo, odnosno inducirana el. struja ima takav smjer da proizvodi magnetski tok koji se suprotstavlja promjeni toka zbog kojega je nastala, ova tvrdnja je poznata kao Lentzov zakon. Lentzov zakon je posljedica očuvanja energije, i da ne vrijedi inducirana struja bi stalno rasla→perpetuum mobile prve vrste (ne bi vrijedio zakon održanja energije).

Maxwell-ove jednačine

Fenomen vrtložnih struja može se objasniti koristeći Maxwell-ove jednačine:

(13.)

(14.)

Pretpostavljajući da je zavojnica sa jednim zavojem označena sa L blizu metalnog materijala, i da je S ortogalna i koncertirana površinu oko zavojnice, i da je frekvencija dovoljno mala da se može zanemariti u izrazu 13. ,tada su linije magnetnog polja oko zavojnice L određene sa:

(15.)

Sada , uzimajući da je P površina na materijalu i da je dA elementarni dio te površine, magnetni tok kroz površinu P je dat sa:

(16.)

i indukovana elektromotorna sila je:

(17.)

Pronalaženjem putanje provođenja, ova elektromotorna sila stvara vrtložne struje u ispitivanom materijalu. Iz izraza za Maxwell–ove jednačine vidimo da su to prošireni oblici gore pojašnjenih zakona.

Vrtložne struje Ispitivanje vrtložnim strujama

Uzrok vrtložnih struja u materijalu je elektromagnetska indukcija. Kada izmjenična struja protječe kroz zavojnicu, oko zavojnice se stvara promjenljivo magnetsko polje. Pod uticajem promjenljivog magnetskog polja u električnim vodljivom materijalu induciraju se vrtložne struje slika 8.

Slika 8. Induciranje vrtložnih struja u materijalu [5]

Vrtložne struje koje su inducirane unutar vodljivog materijala stvaraju svoje vlastito magnetsko polje (magnetski tok B), koje je suprotnog smjera u odnosu na magnetsko polje zavojnice. Interakcija između dva suprotno usmjerena magnetska toka uzrokuje slabljenje ukupnog magnetskog toka. Na kraju to rezultira smanjenjem impedancije zavojnice. Ako na primjer zamislimo da imamo pukotinu u površini neposredno ispod zavojnice, to će prouzrokovati prekid ili smanjenje toka vrtložne struje(slika 9.). Ovo će prouzrokovati pad napona na zavojnici i povećanje njene impedancije. Mjereći impedanciju ili napon na zavojnici može se otkriti promjene u materijalu.

Slika 9. Poremećaj vrtložnih struja izazvanih greškom u materijalu [5]

Faktori koji utječu na odziv sonde pri testiranju vrtložnim strujama

Postoji nekoliko faktora koji utječu na odziv sonde za testiranje vrtložnim strujama. Glavni faktori su:

· Provodljivost materijala σ ima direktan utjecaj na tok vrtložnih struja, i to tako što je veća provodljivost materijala veća je i jakost vrtložnih struja na površini, a time je i bolji odziv. Dubina prodiranja opada povećanjem električne provodljivosti ispitnog materijala.

· Permeabilnost μ je različita za različite materijal. Za neferitne materijale(mesing, aluminij, bakar) i austenitni nehrđajući čelik permeabilnost je 1. Za feritne metale permeabilnost iznosi i nekoliko stotina, što ima veliki uticaj na vrtložne struje. Dubina prodiranja opada povećanjem permeabilnosti materijala.

· Frekvencija struje je vrlo važan faktor koji utječe uglavnom na dubinu prodiranja, i jedan je od faktora kojim se lako upravlja pri testiranju. Pri nižim frekvencijama prodiranje je dublje u materijal, a pri višim pliće. Osim toga o frekvenciji ispitivanja ovisi i osjetljivost metode vrtložnih struja na pojedina svojstva materijala. Prednost više frekvencije je veća gustoća struje, pogotovo u površinskom sloju.

· Lift-off faktor predstavlja uticaj zračnosti između sonde i ispitivanog materijala. Naime udaljenost sonde od materijala je bitna, jer što je udaljenost veća, magnetski tok je manji, a time i inducirana vrtložna struja u materijalu, što uveliko utječe na odziv.

· Odnos signal/šum je omjer između korisnog signala i šuma (nekorisnog signala). Šum i razne smetnje nastaju kao posljedica stanja površine (npr. hrapavost, neravnine površine) i homogenost materijala. Izvor elektromagnetskih smetnji čest su problem, a nastaju usljed rada različitih uređaja poput električnih motora, generatora itd. ili usljed mehaničkih vibracija (uzrokuju pomicanje testnog objekta ili sonde – lift-off ). Uspješna procjena mjesta pukotine ili ocjena dobivenih rezultata pomoću nekog od faktora (parametara) metode, traži da se ostali čimbenici drže konstantnim ili da se smanji njihov utjecaj na što manju mjeru.

· Fill faktor ekvivalentan je Lift-off faktoru , ali kod cilindričnih objekata.

· Rubni efekat se javlja kada se sonda približi rubu objekta koji se ispituje, jer dolazi do izobličenja toka magnetskog polja, slika 10.

Slika 10. Rubni efekat (6)

Dubina prodiranja vrtložnih struja

Sa dubinom prodiranja u materijal vrtložne struje i magnetski tok se prigušuju zbog tkz. skin efekta, slika 11.

Slika 11. Dubina prodiranja vrtložne struje [7]

Standardna dubina prodiranja definisana je za vrijednost vrtložne struje 1/e (37%) od vrijednosti one na površini. Dubina prodiranja se računa prema:

(18.)

gdje je:

δ – standardna dubina prodiranja[mm],

μ – magnetska permeabilnost[H/mm],

ρ – specifični električni otpor ispitivanog materijala[Ωm],

f – frekvencija struje[Hz]

Slika 12. Gustina vrtložnih struja u poprečnom presjeku zavojnice (8)

Preoblikovanje gornje formule može se jednostavno izračunati frekvencija struje ispitivanog materijala za potrebnu dubinu prodiranja. Na slici 13. prikazana je ovisnost dubine prodiranja o frekvenciji za različite materijale.

Slika 13. Zavisnost dubine prodiranja o frekvenciji za različite materijale [3]

Fazno kašnjenje između vrtložnih struja na površini materijala i na nekoj dubini d izvodi se prema izrazu:

(19.)

gdje je:

d – dubina prodiranja[mm],

φ – fazno kašnjenje[rad],

Porast faznog kašnjenja s dubinom ima znatnog uticaja na impedanciju sustava odnosno na vektor impedancije. Mjerenje faznog kašnjenja može se odrediti dubina na kojoj se nalazi greška.

SenzoriPrincip rada senzoraSenzori na principu Hall-ovog efekta

Edwin Herbert Hall 1879. godine je pokazao kako se između bočnih rubova tanke trake protjecane strujom i postavljene okomito na smjer magnetskog polja, stvara razlika potencijala. Generiranje Hallova napona simbolično je pokazano na slici 14.

Slika 14. Generiranje Hall-ovog napona [4]

Pod djelovanje Lorentz-ove sile elektroni se potiskuju prema rubu ploče okomito na smjer njihovog kretanja. Zbog gomilanja elektrona na jednoj strani ploče, druga strana ostaje s manjkom elektrona, tj. viškom pozitivnog naboja. Ovako raspodijeljeni naboji stvaraju električno polje usmjereno u osi +y. Sila djeluje na elektrone, kao slobodne nositelje naboja, u smjeru suprotnom u odnosu na električno polje (-y) i na magnetsku silu. Proces gomilanja naboja prestaje u trenutku kada se magnetska sila po intenzitetu izjednači s električnom silom. U stanju ravnoteže je tj.:

()

gdje je:

EH – Hall-ov napon,

q – naboj čestice u električnom polju,

B – magnetska indukcija polja,

v – brzina kretanja čestice u magnetskom polju

Hall-ov napon može se izmjeriti preciznim voltmetrom. Mjerenjem Hall-ovog napona može se realizovati instrument baždaren u vrijednostima magnetske indukcije. Sonde koje rade na principu Hall-ovog efekta veoma su korisne za mjerenje bilo gustoće struje ili magnetskog polja. Većina senzora sa Hall-ovim efektom u ispitivanju vrtložnim strujama koriste se za otkrivanje promjena u magnetskom polju.

Slika 15. Senzori sa Hall-ovim efektom [10]

Senzori sa zavojnicom

Mjereći promjene u impedanciji zavojnice sonde(slika 16.) dobiva se informacija o ispitivanom materijalu. Te informacije su najčešće podaci o električnoj vodljivosti ili permeabilnosti materijala.

Slika 16. Poprečni presjek sonde za ispitivanje vrtložnim strujama [9]

Za prikazivanje podataka dobivenih testiranjem najčešće se koristi dijagram impedancije. Iz dijagrama impedancije mogu se očitati promjene impedancije pri testiranju za različite materijale i diskontinuitete unutar njih. Na slici 17. prikazan je ekvivalentni električni krug senzora za ispitivanje vrtložnim strujama.

Slika 17. Ekvivalentni električni krug senzora za ispitivanje vrtložnim strujama [2]

Pri čemu je R0, L0 prvobitna otpornost i induktivnost zavojnice sonde za ispitivanje vrtložnim strujama, a Re, Le je ekvivalentni otpor i induktivnost koju stvara vrtložna struja u ispitivanom materijalu.

Slika 18. Plan impedancije ; utjecaj raznih parametarava na impedanciju sustava [3]

Na slici 18. prikazani su uticaji pukotine, el. vodljivosti i lift-off–a na impedanciju sustava za feromagnetične i neferomagnetične materijale.

Izvedbe sondi za ispitivanje vrtložnim strujama

Postoji više vrsta sondi koje služe za testiranje u ovisnosti o vrsti materijala, debljini, potrebi dubine testiranja itd. Tri su osnovne vrste sondi:

1. Površinska sonda (eng.surface coil, probe coil, )

2. Bobin odnosno standardna diferencijalna sonda (eng. Bobin coil, ID)

3. Prstenasta odnosno rotirajuća sonda (eng. Encircling coil)

Osim gornje podjele, sonde mogu biti apsolutne, diferencijale i hibridne – podjela prema načinu rada tj. sonde u odnosu na način na koji se želi mjeriti impedanciju zavojnice. One se prvenstveno razlikuju po tome kako se spajaju u mosni spoj tj. na mjerne mostove poput Wheatston-ovog mosta ili Maxwell-Wien-ovog mosta. Preko mostova se mjeri impedancija sustava tj. sonde, odnosno umjerava sonda. Načini spajanja su prikazani na slici 19.

Slika 19. Apsolutni i diferencijalni tipovi sonde u mosnom spoju [3]

Apsolutne sonde u principu sadrže jednu zavojnicu koja služi za indukciju vrtložnih struja unutar ispitivanog materijalu.

Slika 20. Šematski prikaz apsolutne sondu [10]

Prednosti:

· Apsolutne sonde su osjetljive na iznenadne i duge spore promjene u materijalu.

· Većina apsolutnih sondi su jeftine za proizvodnju

Nedostaci:

· Apsolutne sonde su veoma osjetljive na lift-off varijacije.

· Apsolutne sonde su osjetljivije na temperaturne promjene između referentne zavojnice i ispitivanog materijala

Diferencijalne sonde u principu sadrže dvije zavojnice, od kojih je jedna referentna, a druga se pomiče po ispitivanom materijalu. Inače, električki se spajaju tako da su suprotstavljene jedna prema drugoj, tako u slučaju da ako na obje zavojnice djeluju isti uvjeti (parametri) od ispitivanog objekta(ili okoline koja je okružuje), na izlazu ne daju nikakav odziv tj. nema signala (osim ako u mostu nije postignuta ravnoteža). Izlazni signal će biti generiran samo u slučaju da na njih djeluju različiti parametri od testnog objekta (tj. ako jedna zavojnica dođe do neke vrste diskontinuiteta).

Slika 21. Šematski prikaz diferencijalne sonde [10]

Slika 22. Diferencijalna sonda i tipični izgled impedancije za kalibracijske standardne [10]

Prednosti:

· Diferencijalna izvedba ne zahtjeva referentnu sondu.

· Ova izvedba je dosta manje osjetljiva na lift-off faktor

· Ova izvedba je veoma dobra za uočavanje i određivanje veličine veoma malih napuklina

· Pošto nema referentne zavojnice, temperaturne promjene imaju manji uticaj na signal

Nedostaci:

· Diferencijalna izvedba nije dobra za otkrivanje veoma dugih i postepenih promjena u materijalu

· Otkriva samo početak i kraj velike pukotine

· Indikacije mogu biti teške za interpretiranje

Pošto je diferencijalni sistem idealan za otkrivanje lokalnih iznenadnih grešaka dok je apsolutni sistem idealan za otkrivanje postepenih grešaka slika 23. prikazuje odziv diferencijalnog i apsolutnog sistema na lokalnu grešku i postepenu grešku.

Slika 23. Razlika između prikaza apsolutne i deferencijalnog tipa sonde [11]

Odašiljačko-prijemne(reflekcione) sonde

Slika 24. prikazuje šematski dijagram odašiljačko-prijemnog para namotaja spojenih sa apsolutnim i diferencijalnim modom. Odašiljačko-prijemne sonde imaju dvije zavojnice slično diferencijalnim sondama, s tim da se jedan zavojnica uzbudna, a druga prijemna koja registruje promjene unutar materijala. Prednost reflekcionih sondih je ta što se uzbudna i prijemna zavojnica može odvojeno podesiti. Uzbudna zavojnica može se napraviti tako da proizvodi snažan i uniforman tok polja, dok se prijemna zavojnica može napraviti da bude veoma osjetljiva na male greške u materijalu.

Slika 24. Šematski prikaz odašiljačko-prijemnog sistema [10]

Hibridne sonde

Primjer hibridne sonde prikazan je na slici 25., ova sonda ima uzbudnu zavojnicu koja okružuje prijemnu zavojnicu u obliku dva D. Ovaj tip sondi je veoma osjetljiv na površinske pukotine. Drugi primjer hibridne sonde je ona koja koristi uobičajene zavojnice za stvaranje vrtložnih struja u materijalu ali onda koristi diferencijalnu vrstu senzora za otkrivanje promjena u površini ispitivanog materijala. Još jedan primjer hibridnih sondi su i one koje koriste senzore na principu Hall-ovog efekta za otkrivanje promjena u magnetnom toku na površini ispitivanog materijala

Slika 25. Primjer hibridne sonde [12]

Površinske sonde služe za konvencionalno ispitivanje po površini testnog objekta. Površinske sonde izvode se u raznim veličinama za različite geometrije ispitivanog objekta. Te sonde mogu imati veliku rezoluciju pogotovo u odnosu na bobin ili prstenastu sondu.

Slika 26. Primjer površinskih sonde [12]

Bobin sonde služe za ispitivanje šupljina u objektima odnosno dijelova koji sadrže unutrašnje promjere ili razne provrte, poput cijevi ili raznih šupljih profila.

Slika 27. Primjer bobin sondi [12]

Prstenaste odnosno rotirajuće sonde okružuju dio površine testnog objekta, ili drugim rječima, ispitivani objekt se umeće unutar sonde. Prednost im je što odjednom mogu testirati velik dio površine objekta i omogućuju veliku brzinu testiranja, ali imaju manju osjetljivost na određene vrste diskontinuiteta, manju rezoluciju u odnosu na površinske sonde.

Slika 28. Primjer prstenaste sonde [12]

Ispitivanje pulsirajućom vrtložnom strujom

Konvencijalna tehnika ispitivanja vrtložnim strujama kao uzbudni signal na sondi koristi sinusoidalnu naizmjeničnu struje određene frekvencije, kao što je prikazano na slici 29. Zbog skin efekta dubina prodiranja biti će obrnuto proporcionalna korijenu frekvencije. Drugim riječima, ispitivanja pri velikim frekvencijama otkriva samo površinske greške. Sa druge strane tehnika ispitivanja pulsirajućom vrtložnom strujom za uzbudu sonde, kao što je prikazano na slici 30., koristi step funkciju. Prednost korišćenja step funkcije je ta što sadrži spektar frekvencija. Pošto dubina prodiranja zavisi od frekvencije pobude kao odgovor na step funkciju mogu se dobiti informacije sa različitih dubina prodiranja.

Slika 29. Uzbudni signal konvencionalne tehnike ispitivanja vrtložnim strujama [13]

Slika 30. Uzbudni signal pulsirajuće vrtložne struje [13]

Ova tehnika je najveću primjenu našla pri ispitivanju korozije između aluminijskih limova u avio industriji zavarenih difuzionim zavarivanjem. Na slici 31. prikazano je ispitivanje četri ploče lima debljine 1mm sa greškom na donjoj strani. Također je prikazan i izlazni signal na kome se vide greške na različitim dubinama.

Slika 31. Prikaz ispitivanja pulsirajućom vrtložnom strujom [14]

Termografija pomoću vrtložnih struja

Slika 32. Tradicionalna termografiji [15]

Tradicionalno ispitivanje termografijom koristi direktno zagrijavanje metalne površine koristeći lampe za zagrijavanje, slika 32. Ovaj tip termografije ima određene nedostatke kao što su: refleksija toplote sa materijala na kome se vrši ispitivanje može ometati mjereni signal, uzrokujući probleme u odnosu signal/šum, i poteškoće u dovođenju odgovarajuće količine toplote na površinu materijala u kratkom vremenu potrebne za termografiju. Alternativa lampama za zagrijavanje može biti zagrijavanje vrtložnim strujama, koje ima određene prednosti. Termografija vrtložnim strujama kombinuje tehnike vrtložnih struja i termografije da bi osigurao brz i efikasan metod za otkrivanje grešaka i karakteristika na relativno velikoj površini. Pošto pukotine izazivaju promjene inducirane vrtložne struje to uzrokuje temperaturne razlike u materijalu koje se mogu vidjeti na IR kameri.

Slika 33. Sistem za termografiju vrtložnim strujama [15]

Slika 34. Primjer ispitivanja termografije vrtložnim strujama [16]

Prikaz i indikacija rezultata ispitivanja

Najjednostavni instrument za ispitivanja vrtložnim strujama sastoji se od zavojnice koja inducira vrtložne struje u ispitivanom materijalu, preciznog voltmetra koji mjeri promjenu napona uzrokovanu greškom u ispitivanom materijalu i displeja koji služi za grafički prikaz mjerenja. Na slici 35. šematski je prikazan instrument za ispitivanje vrtložnim strujama.

Slika 35. Šematski prikaz instrumenta za ispitivanje vrtložnim strujama [17]

Prikaz i indikacija rezultata može se vršiti pomoću slijedećih naprava :

· svjetlosni indikator

· zvučni alarmi

· digitalni uređaji za prikaz

· XY osciloskopi i ploteri za crtanje grafika impedancije

· zapisnici odziva (rekorderi) pomoću raznih medija za zapis podataka

· kompjuteri sa akvizicijskim karticama i software-om

Slika 36. Portabl instrument za ispitivanje vrtložnim strujama [17]

Primjena ispitivanja vrtložnim strujama

Metoda ispitivanja vrtložnim strujama se primjenjuje u raznim granama industrije, i njezin raspon korišćenja za različite svrhe je jako velik. Primjenjuje se za ispitivanje različitih karakteristika materijala. Pouzdanost, preciznost i osjetljivost metode je jako velika. Naprimjer, sondama za ispitivanje vrtložnim strujama mogu se detektirati razlike u debljini u opsegu od nekoliko mikrometara do deset milimetara.

Primjenjuje se za :

· za mjerenja raznih svojstava materijala koji provode el. struju, poput mjerenje magnetske permeabilnosti, električne vodljivosti, veličine zrna, stanja termičke obrade, dimenzije objekata, mjerenje debljine neprovodne obloge na metalu, itd.

· za detektiranje: pukotina, poroznosti i ostalih diskontinuiteta (defekata) u materijalu

· za sortiranje materijala i određivanja razlika u njihovom sastavu i mikrostrukturi i drugim svojstvima.

Referentni standard

U ispitivanju vrtložnim strujama korišćenje referentnog standarda pri kontroli opreme od velike je važnosti pošto na rezultat mjerenja utiče veliki broj varijabli i male promjene u opremi mogu značajno uticati na rezultat mjerenja. Kao i kod većine drugih metoda bez razaranja, najkorisnije informacije se dobijaju poređenjem rezultata mjerenja nepoznatog objekata i rezultata mjerenja sličnog objekta sa dobro poznatim izgledom i greškom. Za otkrivanje pukotina, debljine korozije i drugih grešaka u materiju, referentni standard se koristi, da se oprema podesi da na određenu grešku ili skup grešaka proizvodi prepoznatljiv signal ili skup signala. U mnogim slučajevima izgled signala pri mjerenju može se uporediti sa izgledom signala poznate greške na referentnom standardu da bi se odredila veličina greške u ispitivanom materijalu.

Slika 37. Referentni standard [12]

Referentni standard trebao bi da bude od istog materijala kao i ispitivani komad. Ako to nije moguće ili praktično, to bi trebao biti materijal koji ima istu električnu provodljivost ili magnetsku permeabilnost.

Literatura

[1] https://elearning.fesb.hr/pluginfile.php/56024/mod_resource/content/1/ Predavanja%20E120%20-%20drugi%20kolokvij.pdf (dostupno 20.12.2013)

[2] Peng Xu, Eddy Current Testing Probe Composed of Double Uneven Step Distributing Coils for Crack Detection, M. E. Harbin Institute of Technology, China, 2005

[3] Viktor Mihljević, Diplomski rad, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb, 2007

[4] Ljubo Malešević, OSNOVE ELEKTROTEHNIKE III dio MAGNETIZAM, SVEUČILIŠTE U SPLITU, 2004.

[5] http://desmondlambe.com/leaving/handouts/Eddy%20Current%20Testing.pdf

[6] The McGraw-Hill Companies, Inc., Eddy Current Testing, 2003

[7] Joseph M. Buckley, An introduction to Eddy Current Testing theory and technology

[8] Luís Filipe Soldado Granadeiro Rosado, Non-Destructive Testing Based on Eddy Currents, 2009

[9] ANDERS ROSELL, Finite Element Modelling of Eddy Current Non- Destructive Evaluation in Probability of Detection Studies, CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 2012

[10] http://www.eclipsescientific.com/Books/Eddy%20Current%20Testing%20Technology%20%201st%20Edition%20-%20Sample.pdf (dostupno 20.12.2013)

[11] http://www.innospection.com/pdfs/Eddy%20Current%20Theory.pdf

[12]http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/EddyCurrents/cc_ec_index.htm (dostupno 20.12.2013)

[13] D. M. Suh, K.S. Jang, J.E. Jang, Corrosion Steel Inspection under Steel Plate Using Pulsed Eddy Current Testing, University Dajeon, Seoul S. Korea, 2012

[14] C. Murner, J. P. Hansen, Buried Corrosion Detection in Multi-layer Airframe Structures

Using Pulsed Eddy Current, 2008

[15] I. Z. Abidin, M. Z. Umar, M. Y. Yousuf, M. M. Ibrahim, A. R. Hamzah, M. N. Salleh, Advantages and Applications of Eddy Current Thermography Testing for Comprehensive and Reliable Defect Assessment, 18th World Conference on Nondestructive Testing

[16] http://www.t-zfp.de/downloads/ Thermographic_Crack_Detection_by__Eddy_Current_Excitation__.pdf (dostupno 20.12.2013)

[17] J. Hansen, The eddy current inspection method, 2004

ú

û

ù

ê

ë

é

=

=

2

2

m

Wb

m

Vs

T

B

r

S

B

F

=

dS

d

B

F

=

H

B

r

r

×

=

m

r

m

m

m

×

=

0

ú

û

ù

ê

ë

é

×

×

×

=

-

A

m

T

7

0

10

4

p

m

r

m

2

2

L

X

R

Z

+

=

L

f

X

L

×

×

=

2

3

4

r

r

l

d

I

H

d

r

r

r

´

×

=

p

H

r

ò

=

×

S

uk

I

l

d

H

r

r

H

r

a

cos

Hdl

l

d

H

=

×

r

r

ò

å

Q

=

=

×

S

i

i

I

l

d

H

r

r

ò

=

×

S

S

d

B

0

r

r

dt

d

e

ind

F

-

=

E

D

dt

d

I

l

d

H

S

S

D

S

r

r

r

r

r

e

=

F

+

=

×

ò

,

,

ò

=

F

-

=

×

P

P

B

H

B

dt

d

l

d

E

r

r

r

r

r

m

,

,

ò

=

×

S

L

I

l

d

H

r

r

ò

×

=

×

=

F

P

P

B

H

B

dA

B

m

,

,

r

ò

¶

F

-

=

×

P

P

B

dt

d

dl

E

,

r

r

p

m

r

d

×

×

=

f

r

p

m

d

j

×

×

×

=

=

f

d

d

)

(

B

v

q

F

m

r

r

r

´

-

=

E

r

E

q

F

e

r

r

-

=

[

]

m

A

H

r

0

=

+

e

m

F

F

r

r

B

v

E

E

q

B

v

q

H

H

×

=

Þ

×

=

×

×