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Tesis

Diseño y construcción de sondas para ensayos por corrientes inducidas conteniendo bobinas planas rectangulares

2003



Título Diseño y construcción de sondas para ensayos por corrientes inducidas conteniendo bobinas planas rectangulares
Nombre Fava, Javier Oscar
Licenciado en Física Universidad de Buenos Aires Argentina
Magister en Ciencia y Tecnología de Materiales UNSAM
Directores Dra. Ruch Marta Clelia. CNEA
.
. CNEA Centro Atómico Constituyentes
Fecha Defensa 06/10/2003
Jurado

Código Código IT IT/T--85/03

Resumen

La amplia variedad de aplicaciones que tienen los ensayos no destructivos requiere de una constante actualización a través del desarrollo de nuevos sensores y la adaptación de técnicas y equipos. El objetivo de este trabajo fue el diseño, construcción y caracterización de sensores para ensayos no destructivos por corrientes inducidas, en los cuales las bobinas que los forman son espirales planos rectangulares. De todas las bobinas construidas, se caracterizaron dos bobinas diferentes en esta primera etapa, calculando y midiendo las variables que determinan su comportamiento eléctrico (R, L, C y Z). La caracterización también consistió en probar las respuestas de los sensores respectivos en tres técnicas diferentes de corrientes inducidas: detección de ranuras frontales a la sonda, detección de fisuras de borde y medición de resistividades. Los resultados obtenidos se compararon también con los obtenidos utilizando una sonda convencional. Las bobinas planas rectangulares utilizadas en este trabajo se diseñaron teniendo en cuenta dos factores: que tengan un área de inspección no mayor a 2,25 cm2 y que su impedancia de salida esté en el rango de las impedancias de entrada de los equipos comerciales de corrientes inducidas (5 - 200 Ohm). Una vez diseñadas las bobinas, para la construcción de las mismas se recurrió a la técnica de fabricación de circuitos impresos. Lográndose un ancho de los caminos que forman los espirales planos y una separación entre los mismos de 8 milésimas de pulgada. Las bobinas resultaron tener valores bajos de inductancias. Esto determinó que para lograr valores de impedancia de sonda dentro del rango deseado se tuvieran que elevar las frecuencias de operación por encima de 300 kHz, resultando el rango de utilización de las mismas entre 300 kHz y 2 MHz. El operar con frecuencias altas las hace aptas para inspección de fallas en materiales de alta resistividad. Para tal fin, se probaron las sondas sobre patrones de Zry-4 especialmente construidos: para la inspección de fisuras frontales sobre patrones con ranuras de 0.176 mm, 0.232 mm, 0.380 mm y 0.420 mm de profundidad y 0.13-0.14 mm de abertura; y para la detección de fisuras de borde sobre patrones con ranuras 0.152 mm, 0.258 mm, 0.352 mm y 0.470 mm de profundidad y la misma abertura que las anteriores. Los análisis de las inspecciones de fallas (para ambos tipos de ranuras) indicaron que se logra una buena discriminación en módulo de las señales de las diferentes ranuras analizadas; sin embargo, la discriminación en fase mostrada fue muy pobre. Para la caracterización de las sondas ante la medición de resistividades se analizaron las respuestas con seis metales de resistividades 1.71 mu Omega cm, 5.76 mu Omega cm, 18.5 mu Omega cm, 49.2 mu Omega cm, 72.0 mu Omega cm y 180.8 mu Omega cm. En cuanto a los resultados de resistividad, las frecuencias para las cuales se encontraron los mejores puntos de operación están en el rango 500 kHz-1 MHz, para todos los materiales analizados. La mejor separación se logró entre los materiales de alta resistividad. Las características más sobresalientes de estas sondas son cuatro: Una es que la técnica utilizada para la fabricación de las bobinas asegura una gran repetitividad en la producción de las mismas, luego de establecido el diseño. Otra es que, en la inspección de fisuras de borde se eliminan casi completamente los efectos no deseados de acercamiento al borde de la pieza; cosa que es muy dificil de evitar cuando se utilizan sondas estándares. La tercera es su excelente respuesta para mediciones de resistividades a frecuencias altas, especialmente para materiales de alta resistividad. La última es la alta sensibilidad que poseen para la detección de defectos e imperfecciones existentes en las superficies de análisis. Los mayores inconvenientes se presentan con las bajas inductancias de las bobinas, por un lado, y con la construcción de las sondas por otro: las características de algunos soportes utilizados pueden introducir señales no deseadas que afecten las mediciones

Complete Title

Abstract

The wide variety of applications of non-destructive testing require a constant updating through the development of new sensors and the adaptation of techniques and equipments. The aim of this work is the design, construction and characterization of eddy current sensors with planar rectangular coils. Various windings were made, only two of which have been characterized so far, i.e. the properties which define their electrical behavior have been measured and computed (R, L, C and Z). In the characterization we have also checked sensors performance for three different eddy current applications: detection of in front of coils cracks, detection of edge cracks and measurement of resistivity. The results were compared to those from a standard cylindrical probe. The rectangular planar coils developed in this work were designed taking into account two things: that their testing area should not exceed 2.25 cm2, and that their output impedance should fall within the range of the commercial equipment entrance impedance (5 - 200 ohm). The coils thus designed were made at an independent workshop, with the etching technique normally used for printed circuits. Circuits with very thin wires and gaps (8 mils) were achieved. The resulting coil inductance is rather low. Consequently, to get the desired probe impedance values, operation frequencies over 300 kHz were necessary. A frequency range between 300 kHz and 2 MHz was selected. These high working frequencies make these probes specially suitable for high resistivity materials. With this purpose, special testing pieces were prepared by electroerosion technique from Zry-4 blocks: for the inspection of surface cracks, standards with fissures of the following depth: 0.176 mm, 0.232 mm, 0.380 mm and 0.420 mm were made, and to detect edge cracks the fissures of the standards were 0.152 mm, 0.258 mm, 0.352 mm and 0.470 mm deep. The analysis of signals produced by these defects showed good separation in the amplitudes of the different crack signals and rather poor phase separation. To test the resistivity response, a resistivity standard box from Zetec Inc. was used. It consists of five different metals of resistivities: 1.71 mu Omega cm, 5.76 mu Omega cm, 18.5 mu Omega cm, 49.2 mu Omega cm and 180.8 mu Omega cm. A Zry-4 sample with 72.0 mu Omega cm was also used. The frequencies which yielded the best operation points lay in the range 500 kHz to 1 MHz, for all the tested samples. The highest discrimination was observed among the higher resistivity metals. The probes have four outstanding characteristics: the first one, elimination of end effect in the inspection of edge cracks. The second one is their good performance in the resistivity measurement at high frequencies and especially for high resistivity materials. The third one is their great sensitivity to detect crazes and other shallow imperfections. Last but not least, any number of identical planar coils can be made from a single clich, a point which is very important for applications which require automatic inspection equipment. The problems they showed are, on the one hand, the low coil inductances, on the other, the construction of the probes: some probe stands might introduce unwanted signals which affect the measurements

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