Sensori basati sulle correnti indotte (Eddy Current)

• Il principio fisico• Eddy Current sensors• Applicazioni • Lo sviluppo di un sensore

• Progettazione• Realizzazione• Ottimizzazione • Caratterizzazione metrologica

• Un esempio pratico

Le correnti indotteSe in una regione dello spazio, occupata da un conduttore, il campo magnetico è variabile nel tempo, si producono entro il conduttore stesso delle correnti indotte, cui in generale si associano fenomeni dissipativi di energia; esse sono perciò chiamate correnti parassite o anche correnti di Foucault.

( ) ( )MB t B sen tω=

ˆ( ) ( ) ( )Mt B t n ds sen tωΦ = ⋅ = Φ ⋅∫∫ ( , , )t B geometriaΦ

Legge di Lenz

( )( ) cos( )Md te t E t

dtωΦ

= − = − ⋅ ( , , , )e t B f geometria

Le correnti indotteCircolazione di correnti all’interno del materiale:

I=E/R

Materiale conduttore conduttanza G=1/R

2P R I= ⋅Potenza dissipata per Effetto Joule

Le correnti indotte

Dissipazione di potenza non gradita

, ,B f geometriaPρ

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

• Suddividere il materiale con superfici di separazione parallele alla direzione del flusso (es. trasformatori)

• Accrescere la resistività del materiale

Le correnti indotteLo spessore di penetrazione

Spessore x

Cor

rent

e In

dotta

- /x0J(x) J e δ=

0 1/ fδ πµ σ=

0

0

= spessore di penetrazioneconducibilità del materialepermeabilità magnetica

( 0)J J x

δσµ==

= =

Il modulo delle correnti ad una profondità x=δ è circa il 37% di quello in superficie

I sensori basati sulle ECSfruttano il principio delle correnti indotte per “sentire” la grandezza d’interesse.

Le misure avvengono senza contatto

Sono generalmente basati sull’utilizzo di una o più bobine.

Sono tutti sensori che hanno bisogno di alimentazione (devono creare il campo magnetico).

Applicazioni

• Misure di prossimità (REED)

• Misure di deformazione

• Misure di resistività

• Misure di spessore di rivestimenti protettivi

• Misure per Test Non Distruttivi (NDT)

Misure di prossimitàUna bobina viene percorsa da una corrente alternata ad alta frequenza; quando al sensore viene avvicinato un target metallico, si generano in esso per induzione magnetica delle correnti parassite, che opponendosi al campo magnetico primario, provocano una variazione dell’induttanza della bobina: si ha quindi un segnale funzione della distanza tra sensore e target.

I sensori di prossimità, non rilevano una grandezza vera e propria, ma la presenza o meno di un oggetto nelle vicinanze del trasduttore.

Misure di prossimitàVantaggi:

• elevata sensibilità e ripetibilità; • misure senza contatto fisico e senza forza esterna; • vita meccanica illimitata• utilizzabile con tutti i target metallici elettricamente conduttivi, sia

ferromagnetici che non ferromagnetici • dimensioni estremamente ridotte dei sensori (fino a 2mm diametro

4mm di lunghezza)• insensibilità alla polvere, umidità, olio o materiale dielettrico

nell'intervallo di misura • affidabilità delle misure, anche in presenza di interferenze di campi

elettromagnetici • ampio intervallo operativo di temperatura

Misure di resistivitàA parità di campo esterno e quindi di f.e.m. il valore delle correnti indotte nel materiale è inversamente proporzionale alla resistività del materiale

E EI lRSρ= =⋅

( / )I I k ρ=

Al variare della resistività varia l’accoppiamento magnetico trabobina e pezzo in esame. La variazione di resistività viene vista come una variazione di impedenza ai capi della bobina.

Misure di deformazione

Misure di spessore di rivestimenti protettivi

Misure per Test Non Distruttivi

Sviluppo di un sensore

• Applicazione

• Conoscenza del fenomeno fisico

• Realizzazione del sensore

Sviluppo di un sensore

• Conoscenza del fenomeno

• Sviluppo dell’elemento sensibile• Capace di “sentire” la grandezza d’interesse• Fornire in uscita una grandezza correlata a

quella in ingresso

• Determinazione della f.d.t. del sensore

• Valutare la necessità di impiego di circuiti di condizionamento ed elaborazione dei segnali

• Verifica sperimentale sia di funzionamento che della funzione di trasferimento

Sviluppo di un sensore• Ottimizzazione (TUNING)

• Regolazioni hardware• Variazioni dei segnali di forzamento• Ottimizzazione software

• Caratterizzazione metrologica

Caratteristiche statiche Caratteristiche dinamiche

• Risposta in frequenza• Linearità in freq.• Errore di fase• etc.

• Sensibilità• Linearità• Errore max• Risoluzione • Range • etc.

TEST NON DISTRUTTIVI

I Controlli non distruttivi NDT (Non Destructive Testing) sono un insieme di pratiche diagnostiche, atte a rilevare anomalie dei materiali, componenti di macchinari, strutture saldate, progetti in fase di studio o collaudo, etc. senza alterarne lo stato fisico o la geometria.

Esami visivi;Ultrasuoni;Liquidi penetranti;Termografia;Magnetoscopia;Radiografia;Ferrografia;Correnti indotte (Eddy Current Testing ECT).

Fattori trainanti lo sviluppo di tanti metodi di indagine

Fattori tecnicitipologie di difetti

tipologie di materiali

tipologie di applicazioni

Fattori economico - legislativiMetodi di indagine a basso costo

Controllo qualità ⇒ danni economici per le aziende

Leggi nazionali e comunitarie sulla qualità dei prodotti

- Direttiva CEE n°374/85, recepita con D.P.R. 27/05/88 n°224 “responsabilità civile per danno da prodotto difettoso”

- Direttiva CEE 83/189 recepita con Legge 21/6/86 n.317 “i requisiti minimi che un prodotto e/o servizio deve possedere per essere funzionale nei confronti dell'utente”

Induzione di un campo magnetico variabile nel pezzo in esame, con conseguente generazione di correnti indotte;

Rilevamento della variazione del campo magnetico di reazione delle correnti indotte, provocato dalla presenza del difetto.

Richiede apparecchiature poco costose;

E’ di semplice attuazione e facilmente automatizzabile;

Consente un esame oggettivo, prescindendo dall’esperienza e dall’abilità dell’operatore;

Non è necessario il contatto tra la sonda e l’oggetto in prova;

VANTAGGI

Metodo ECT

Induzione di un campo magnetico variabile nel pezzo in esame, con conseguente generazione di correnti indotte;

Rilevamento della variazione del campo magnetico di reazione delle correnti indotte, provocato dalla presenza del difetto.

Metodo ECT

SVANTAGGI

E’ possibile testare solo materiali conduttori;

Difficoltà nell’individuare difetti subsuperficiali

Metodi ECT classici

H0

Hr J

H0

Hr J

excitation coil

pick-up coil

excitation & pick-up

coil

a) b)

a) Utilizzo di un’unica bobina con il compito di indurre le correnti nel pezzo e rilevare la tensione indotta

b) Utilizzo due bobine separate per le due funzioni.

Un esempio pratico

Attività di ricerca del gruppo Misure elettriche ed elettroniche

Sviluppo di sensori innovativi per EC-NDT

Applicazioni

• ALENIA SPAZIO

• SVILUPPO DI SENSORI (METODI) CHE SUPERINO PROBLEMI DI SENSORI IN COMMERCIO

• SVILUPPO DI SENSORI (METODI) A BASSO COSTO

Problemi dei sensori in commercioLa rilevabilità dei difetti è subordinata:

alla condizione che le correnti indotte penetrino in profondità nel materiale, fino ad interessare tutto lo spessore del manufatto o comunque la porzione esterna di esso che si intende esplorare al fine di rivelare difetti non accettabili;

alla condizione che i segnali associati alla presenza di difetti siano discriminabili rispetto ai segnali originati da cause estranee ai criteri di accettabilità del prodotto.

Frequenze alte

Correnti indotte elevate Piccolo spessore di penetrazione

Alti livelli dei segnali

Frequenze basse

Correnti indotte basseGrande spessore di penetrazione

Bassi livelli dei segnali

Scelta di compromesso

ATTIVITA’ DI RICERCAMetodo proposto:

Utilizzo di sensori di campo magnetico in cui il livello di segnale non dipende dal valore delle correnti indotte e quindi della frequenza;

L’informazione sul campo magnetico deriva da una misura del contenuto armonico del segnale in uscita dal sensore.

Sensore fluxset

ATTIVITA’ DI RICERCASensore fluxset

Driving

Pickup

nucleot

V

(a)

(b) (c)

He

(a) Segnale di driving

(b) segnale di pick-up in assenza di un campo magnetico esterno

(c) segnale di pick-up in presenza di un campo magnetico esterno

Il livello del segnale di pick-up non dipende dal campo magnetico esterno

ATTIVITA’ DI RICERCALa sonda fluxset realizzata: il funzionamento del metodo

supporto Bobina di eccitazione

58mm65mm

34mm

32mm

Bobina di pickup

Bobina di driving

6mm

10mm

20µm1.4mm

0.5mm

8mm Materiale magnetico

Provinodifetto

Fluxset

H0

Hr

J

H0

Hr

ATTIVITA’ DI RICERCA

Sviluppo del software di elaborazione dei segnali

• Elaborazione nel dominio del tempo

• Elaborazione nel dominio della frequenza

Scelta di compromesso:

• Migliore risposta del sensore

• Tempo di elaborazione (applicazioni real time)

Il trasduttore (sensore+eccitazione +elaborazione) fornisce valori tensione [V] proporzionali al campo magnetico misurato

ATTIVITA’ DI RICERCA

sondacricca

specimen

sonda

cricca

specimen

sonda cricca

specimen

sonda

cricca

specimen

Prime prove sperimentali

Scansioni monodimensionali

Singolo sensore fluxset

Limiti:

Esistenza di condizioni di simmetria che non permettono la rilevazione del difetto

I dati ottenibili da scansioni singole sono insufficienti ad avere rapide e chiare informazioni sulla dimensione e geometria del difetto

OTTIMIZZAZIONE

La soluzione adottata

x y

z

fluxset

Realizzazione di una sonda Fluxset bidimensionale

Analisi di mappe di campo

Possibilità di ottenere maggiori informazioni

su posizione e geometria del difetto

OTTIMIZZAZIONE

a) b)

c) d)

a), c) Modulo e fase del sensore posto sull’asse x (ortogonale alla cricca);

b), d) Modulo e fase del sensore posto sull’asse y (parallelo alla cricca);

OTTIMIZZAZIONEDue problemi:

• Output in Volt

• Perdita dell’informazione sulla fase

Taratura (calibration) della sonda realizzata• Determinazione del coefficiente di conversione Volt/Tesla

Calibrazione (adjustment)

• Determinazione delle condizioni hardware e di forzamento che garantiscano un corretto funzionamento dl sensore

Taratura (calibration)

Several approaches can be followed to realize the calibration process.

The simplest way concerns with the use of a reference magnetic field probe and compare the two probe outputs for a suitable number of magnetic field values.

Limits: The Fluxset dimensions are very small if compared to those ofcommercial magnetic probes. This particular influences the spatial sensitivity of the probes and make almost impossible that the two probes feel the same magnetic field exactly.

Consequence: The two probes cannot be placed contemporaneously in the same location and, taking into account their high field sensitivity, their measurements can refers to different magnetic field conditions.

This simple approach cannot be used

The Proposed Calibration methodThe followed idea: Use a reference magnetic field generator providing a known field, and compare the Fluxset sensed field with that supplied by the reference generator.

Features: easily integrated in the realized measurement system; robust; little; low cost; simple to manage; usable in an industrial environment.

Solution: A reference coil

Note: The coil is made of 105 elementary rectangular coils winded on a medium wood support,dimensions are expressed in mm

coil support

41120

30

6

How can the reference field be estimated and tuned?

The generated magnetic field value is obtained by using an experimental software able to calculate the field spatial distribution over a 3D region in presence of a regular magnetic source as an impressed DC current

OPERATIVE CONDITIONSImpressed Current:DC [–150, 150] mA Impressed Magnetic Field: DC [–27, 27] µTFluxset Driving Current: 25mA,25kHz (Tri. Wave)Fluxset Excit.Current: 500mA,1kHz (Sin. Wav)

(a) 0

5

10

15

20

25

30

-150 -110 -70 -30 10 50 90 130 [mA]

[uT]

0.0E+00

5.0E-05

1.0E-04

1.5E-04

2.0E-04

2.5E-04

3.0E-04[V]Theoretical Field values [uT]

measured field values [V]

(b)-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

-150 -110 -70 -30 10 50 90 130 [mA]

[rad]

Theoretical field valuesMeasured field values

.

Inducing coil

Testing ProbeAutomatic Mover

Excitingcoil

x

yz Fluxsets

Note: The reference coil was rotated of 90 ° to generate magnetic field along the x and y axis direction

Evaluation of the Fluxset based probe calibration

X axis oriented field amplitude X axis oriented field phase

ConsiderationConsideration: There is a great disagreement between the measured and the expected (imposed) magnetic filedExplanationExplanation:a) The testing probe structure is not perfectly symmetric, consequently the Fluxset probes sense also the presence of boundary effects caused by its own excitation coil. In addition these external effects can vary with a number of operating conditions (coil current, specimen under test, environmental noise) b) The Fluxset based probe senses not only the generated magnetic field component but also the environmental magnetic field component;

After the conclusion of this zeroing procedure another calibration test was executed in presence of a Fluxset excitation equal to the operating one.

Necessity of the Fluxset based probe adjustment

(a) 0

5

10

15

20

25

30

-150 -110 -70 -30 10 50 90 130 [mA]

[uT]

0.0E+00

5.0E-05

1.0E-04

1.5E-04

2.0E-04

2.5E-04

3.0E-04[V]Theo retical Field values [uT]

measured field values [V]

(b)-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

-150 -110 -70 -30 10 50 90 130 [mA]

[rad]

Theo ret ical field valuesMeasured field values

1) the Fluxset probe is located in the same operative condition encountered during the test and on a specimen without cracks

2) the exciting coil is switched on, both pickup signals are acquired, and an preliminary FFT analysis is carried out

3) the amplitude and phase response of each sensor are analyzed and consequently a little DC current is added or subtracted to the driving coil current, in order to compensate the presence an asymmetry in zero-field conditions

4) the previous step is repeated until the odd harmonics frequencies reaches the zero value, or is lower than a suitable threshold related to the measurement uncertainty.

After adjustment procedure

0

5

10

15

20

25

30

-150-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 [mA]

[uT]

0.0E+00

4.0E-05

8.0E-05

1.2E-04

1.6E-04[V]

theo ret ical field values [uT]measured field values [V]

( b )

- 3 .5- 3

- 2 .5- 2

- 1 .5- 1

- 0 .50

0 .5

- 1 5 0 - 1 1 0 - 7 0 - 3 0 1 0 5 0 9 0 1 3 0 [m A ]

[ r a d ]

t h e o r e t ic a l f ie ld v a lu e s

m e a s u r e d f ie ld v a lu e s

After the conclusion of this zeroing procedure another calibration test was executed in presence of a Fluxset excitation equal to the operating one.

Note: the difference between sensitivities mainly depends on the specific excitation current used.

The Proposed Calibration method: The measured calibration factor

The calibration constants for both axes were then computed by dividing the angular coefficients of experimental and theoretical characteristics respectively.

CALIBRATION FACTOR

Value[uT/mV]

Uncertainty[uT/mV]

X axis oriented Fluxset sensor 233.32 0.96

Y axis oriented Fluxset sensor 260.5 1.5

The reported uncertainty values have been calculated taking intoaccount the standard uncertainty of the experimental angular coefficient, and assuming zero the uncertainty of the theoretical angular coefficient

ATTIVITA’ DI RICERCA

Alcuni risultati sperimentaliPercorso di scansione

Simulati Sperimentali

crack2 mm

25mm

20mm

10mm

x

y

z

Buon accordo tra dati sperimentali e simulati

ATTIVITA’ DI RICERCA

Alcuni risultati sperimentali

Provino in alluminio con foro da 5mm

Prove sperimentaliProvino in rame con cricca passante da 60mm

Il sistema permette l’individuazione della posizione del difetto

Fornisce indicazioni sulla maggiore larghezza della cricca rispetto dell’area di scansione

Sensore ySensore x

Analisi dei risultati

Sono state effettuate tre tipi di analisi:

Valutazione degli andamenti delle mappe di campoal variare della larghezza della cricca

Valutazione degli andamenti delle mappe di campoal variare della profondità della cricca

Valutazione degli andamenti delle mappe di campoal variare della subsuperficialità della cricca

Risultati sperimentaliAnalisi al variare della larghezza della cricca

Modulo sensore yModulo sensore x

Larghezzacricca

Distanzapicchi

12mm 12mm

10mm 12mm

8mm 10mm

6mm 10mm

4mm 8mm

2mm 6mm

Larghezzacricca

Distanzapicchi

12mm 16mm

10mm 14mm

8mm 14mm

6mm 12mm

4mm 12mm

2mm 10mm

Le fasi non danno informazioni aggiuntive

Si evidenzia una precisacorrelazione tra la larghezzadella cricca e la distanza dei punti di massimo degli anda-menti di campo misurati da entrambe i sensori

Risultati delle simulazioniAnalisi al variare della profondità e sub-superficialità

della cricca

Posizionecricca[mm]

Valore max delcampo misurato

dal sensore x

Valore max delcampo misurato

dal sensore xz max = 0z min =-1.2

3.5 e-6 [T] 4.8 e-6 [T]

z max = 0z min =-1.0

2.6 e-6 [T] 3.6 e-6 [T]

z max = 0z min =-0.8

1.8 e-6 [T] 2.5 e-6 [T]

z max = 0z min =-0.4

6.0 e-7 [T] 9.0 e-7 [T]

z max =-0.2z min =-1.2

1.5 e-6 [T] 2.0 e-6 [T]

z max = -0.4z min =-1.2

8.5 e-7 [T] 1.2 e-6 [T]

z max =-0.6z min =-1.2

4.8 e-7 [T] 6.5 e-7 [T]

z max = 0z min =-0.6

1.2 e-6 [T] 1.6 e-6 [T]

Le fasi non danno informazioni aggiuntive

Si evidenzia una correlazione tra la profondità e/o subsuperficialità della cricca, ed il modulo del campo

ATTIVITA’ DI RICERCA

La stazione automatica di misuraPC

excitation coil

G 1 G2

IEEE488 bus

AMP

DATAACQ

G 3

NDT Probe

Top view of the probe

Front view of the probe

e x c itation coil

fluxsets

annealed metallic glass

support

driving coil

pickup coil

FLUXSET

PROBE

x

support

y

z

ATTIVITA’ DI RICERCA

Stazione di misura basata su strumentazione stand alone

Questa soluzione, indispensabile per fornire al sistema tutta la flessibilità necessaria nella fase di settaggio dei parametri ottimali di funzionamento, non è però proponibile in un sistema industriale, sia per l’elevato costo di base che per l’inadattabilità ad un tale ambiente

Idea

Realizzare uno strumento versatile ed a basso costo, che implementa tutto l’hardware ed il software necessario all’esecuzione di test non distruttivi con il metodo proposto

Architecture of the realized instrument

M M

RS232

MDU

WGU

PSUECU

PC

AECU

excitation coil

fluxset #2

fluxset #1

fluxset #3

reference coil

M

at disposal

ext sync input

BUS

Waveform Generation (WGU), for supplying fluxset driving coils;

Excitation Coil (ECU), for supplying fluxset excitation coil and the reference coil,;

motor driver (MDU), for supplying the scanning system;

acquisition, elaboration and control (AECU);

The BUS

power supply (PSU), for supplying all the previously mentioned units.

The realized instrument is composed by the following units

ATTIVITA’ DI RICERCA

Problema metodi ECT

Necessità di un sistema di movimentazione

Tempi di scansione

Approccio proposto

Sviluppo di sonde basate su matrici di sensori