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ESCUELA POLITCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA
DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN INSTRUMENTO (PROTOTIPO) PARA LA MEDICIN DE PARMETROS FSICOS, BASADO EN EL
PRINCIPIO DE CORRIENTES INDUCIDAS, PARA EL LABORATORIO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS, DE LA FACULTAD DE INGENIERA MECNICA DE LA ESCUELA
POLITCNICA NACIONAL
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIN DEL TTULO DE INGENIERO EN ELECTRNICA Y TELECOMUNICACIONES
DARO ROLANDO LPEZ URRESTA [email protected]
MARCO ANTONIO PILCO PAVN
DIRECTOR: ING. CARLOS FLORES [email protected]
Quito, Abril 2011
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DECLARACIN
Nosotros, Daro Rolando Lpez Urresta y Marco Antonio Pilco Pavn, declaramos
bajo juramento que el trabajo aqu descrito es de nuestra autora; que no ha sido
previamente presentada para ningn grado o calificacin profesional; y, que
hemos consultado las referencias bibliogrficas que se incluyen en este
documento.
A travs de la presente declaracin cedemos nuestros derechos de propiedad
intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politcnica Nacional,
segn lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por
la normatividad institucional vigente.
Daro Rolando Lpez Urresta Marco Antonio Pilco Pavn
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CERTIFICACIN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Daro Rolando Lpez
Urresta y Marco Antonio Pilco Pavn, bajo mi supervisin.
ING. CARLOS FLORES DIRECTOR DEL ROYECTO
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AGRADECIMIENTO
A Dios, por darme una vida llena de Bendiciones.
A mis padres; ejemplo de sacrificio y esfuerzo, por estar en los momentos ms
difciles, a quienes les quiero mucho y estn en mi corazn.
A mis hermanos que siempre me han apoyado, especialmente en mi carrera
universitaria de los que me siento muy orgulloso.
A mi amigo y compaero de tesis por su ayuda en la elaboracin del proyecto. a
los profesores de la universidad especialmente al Ing. Carlos Flores por su apoyo
y ayuda incondicional.
A mis amigos y compaeros en los cuales he podido confiar, a los que les deseo
muchos xitos.
Daro R. Lpez U.
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DEDICATORIA
El presente trabajo va dedicado con mucho
cario a mis padres Silvia y Romeo y a mis
hermanos por apoyarme en todo momento.
Daro R. Lpez U.
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AGRADECIMIENTO
Ante todo agradezco a Dios por darme la vida y alumbrarme cada paso que doy
todos los das de mi vida, por darme la familia tan espectacular que tengo, por
ayudarme a no rendirme.
Agradezco a mis padres, Mara Georgina Pavn Toapanta y Mario Antonio Pilco
Ramos, por brindarme esa oportunidad de salir adelante, por darme ese amor y
cario inmenso que me brindan cada da de mi existir y sobre todo por haber
luchado siempre junto a m siempre en todos los instantes de mi vida, por todo su
apoyo, por su forma de ensearme a ver la vida siempre con nimo, esperanza,
respeto y con la alegra que no se pierde en sus corazones.
A mis hermanos, por su tolerancia, amistad, compaerismo, por cada vivencia y
experiencia que he pasado con ellos, y sobre todo por ese lazo de hermandad
que perdurar en toda mi vida.
A mis tos, a mis primos, y de una manera muy especial a mi abuelita que me ha
enseado que con amor, respeto y perseverancia podemos hacer todo lo que nos
propongamos en la vida.
A todos mis amigos con los que he compartido muchas vivencias a lo largo de
toda mi carrera universitaria, en especial a mi amigo y compaero de tesis por el
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vii
grado de responsabilidad, paciencia y entrega que siempre demostr al momento
de realizar el presente proyecto.
A los ingenieros de la Escuela Politcnica Nacional que imparten sus
conocimientos para hacernos crecer profesional e ntegramente y sobre todo de
una manera muy especial le agradezco al Ing. Carlos Flores por toda la paciencia,
ayuda, conocimientos, enseanzas, sobre todo la calidad humana y respeto que
demuestra siempre hacia el estudiante y a las personas en general.
Marco Antonio. Pilco Pavn.
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viii
DEDICATORIA
Esta tesis est dedicada con mucho amor y
cario para mis padres Mario Antonio Pilco
Ramos y Mara Georgina Pavn Toapanta
porque siempre han sido y sern un ejemplo en
toda mi vida.
Marco Antonio Pilco Pavn
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Contenido
RESUMEN .............................................................................................................................. xii
PRESENTACIN ................................................................................................................ xiii
CAPTULO 1............................................................................................................................... 1
FUNDAMENTOS TERICOS .................................................................................................. 1
1.1 MTODOS DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS ................................................................................ 1
1.1.1 INTRODUCCIN .......................................................................................................................... 1
1.1.2 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS ..................................................................................................... 1
1.1.3 MTODOS DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS MS UTILIZADOS ................................................. 3
1.2 MATERIALES OBJETO DE PRUEBAS EN EL LABORATORIO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS ......... 6
1.2.1 MATERIALES MAGNTICOS ........................................................................................................ 6
1.2.2 MATERIALES FERROSOS Y NO FERROSOS .................................................................................. 9
CAPTULO 2............................................................................................................................ 11
CORRIENTES INDUCIDAS .................................................................................................. 11
2.1 ANLISIS DE LAS CORRIENTES INDUCIDAS ................................................................................. 11
2.2 MTODO DE FORMULACIN DEL CAMPO MAGNTICO ............................................................. 12
2.2.1 CAMPO MAGNETICO ................................................................................................................ 12
2.2.2 FLUJO MAGNETICO .................................................................................................................. 13
2.3 PARMETROS DE ENSAYO ......................................................................................................... 14
2.3.2 CARACTERISTICAS DE LA BOBINA ............................................................................................ 17
2.3.3 CONDUCTIVIDAD ELCTRICA ................................................................................................... 18
2.3.4 PERMEABILIDAD MAGNTICA .................................................................................................. 19
2.3.5 GRIETAS .................................................................................................................................... 21
2.3.6 PROFUNDIDAD DE PENETRACIN ............................................................................................ 22
2.3.7 EFECTO DE SEPARACIN (LIFT-OFF) ......................................................................................... 24
2.3.8 EFECTO DE BORDE ................................................................................................................... 25
2.4 SELECCIN DE LA FRECUENCIA MS ADECUADA DEPENDIENDO DEL MATERIAL ..................... 26
2.5 EFECTO DE LAS PRINCIPALES VARIABLES DEL ENSAYO EN EL PLANO DE IMPEDANCIA ............. 26
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x
CAPTULO 3............................................................................................................................ 29
DISEO Y CONSTRUCCIN DEL PROTOTIPO MICROCONTROLADO DE
CORRIENTES INDUCIDAS .................................................................................................. 29
3.1 DISEO DEL CIRCUITO ELECTRNICO......................................................................................... 29
3.1.1 FUENTE DE ALIMENTACIN ..................................................................................................... 30
3.1.2 MICROCONTROLADOR ATMEGA16.......................................................................................... 32
3.1.3 CONVERSOR DIGITAL ANLOGO (DAC0808) ............................................................................ 37
3.1.4 GENERADOR DE FUNCIONES XR-2206 ..................................................................................... 40
3.1.5 ACOPLADOR DE IMPEDANCIA (CONFIGURACIN EN COLECTOR COMN) ............................. 43
3.1.6 PUENTE DE WHEATSTON ......................................................................................................... 46
3.1.7 CONVERSIN ANLOGO DIGITAL............................................................................................ 48
3.1.8 DISPLAY LCD ............................................................................................................................. 54
3.1.9 DIAGRAMA ESQUEMTICO DEL PROTOTIPO MICROCONTROLADO DE CORRIENTES INDUCIDAS ........................................................................................................................................ 55
3.2 CONTROLES Y CONEXIONES ....................................................................................................... 56
3.2.1 TECLAS DE SELECCIN DE FRECUENCIA ................................................................................... 56
3.2.2 TECLAS DE INCREMENTO Y DISMINUCIN DE FRECUENCIA .................................................... 57
3.2.3 DISPLAY LCD INDICADOR DE FRECUENCIA Y VARIACIN DE PARMETROS ............................ 57
3.2.4 TECLAS DE FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO EN MODO NORMAL Y PORCENTAJE ............ 58
3.2.5 PROTOTIPO MICROCONTROLADO DE CORRIENTES INDUCIDAS.............................................. 59
3.3 SOFTWARE UTILIZADO PARA LA SIMULACIN DE LAS ETAPAS DEL PROTOTIPO MICROCONTROLADO DE CORRIENTES INDUCIDAS .......................................................................... 60
3.3.1 PROTEUS .................................................................................................................................. 60
3.4 SOFTWARE UTILIZADO PARA LA PROGRAMACIN EN LOS MICROCONTROLADORES ATMEGA16 DEL PROTOTIPO MICROCONTROLADO DE CORRIENTES INDUCIDAS ............................ 62
3.4.1 BASCOM AVR ........................................................................................................................... 62
3.4.2 PROGISP167 ............................................................................................................................. 64
3.5 SOFTWARE UTILIZADO PARA EL DISEO DEL ESQUEMTICO E IMPRESO DE LA PLACA DEL PROTOTIPO DE CORRIENTES INDUCIDAS. ........................................................................................ 64
3.5.1 ALTIUM DESIGNER ................................................................................................................... 64
3.5.2 PRESENTACIN DEL DISEO DE PCB (PRINTED CIRCUIT BOARD) ............................................ 65
CAPTULO 4............................................................................................................................ 67
PRUEBAS DEL PROTOTIPO MICROCONTROLADO DE CORRIENTES
INDUCIDAS .................................................................................................................. 67
4.1 MEDICIN DE CONDUCTIVIDAD ELCTRICA ............................................................................... 67
4.1.1 PATRONES DE CONDUCTIVIDAD .............................................................................................. 68
4.1.2 PRUEBA DE DETERMINACIN DE CONDUCTIVIDAD ................................................................ 68
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xi
4.2 DETECCIN DE DISCONTINUIDADES .......................................................................................... 71
4.2.1 PRUEBA DE DETECCIN DE DISCONTINUIDADES ..................................................................... 72
4.3 MEDICIN DE ESPESORES DE RECUBRIMIENTOS NO CONDUCTORES ........................................ 74
4.3.1 PRUEBA DE ESPESORES DE RECUBRIMIENTOS NO CONDUCTIVOS ......................................... 75
4.4 COMPROBACIN DEL EFECTO DE SEPARACIN (LIFT-OFF) .................................................. 78
4.4.1 PRUEBA DEL EFECTO DE SEPARACIN ..................................................................................... 78
CAPTULO 5............................................................................................................................ 82
ANLISIS DE RESULTADOS ............................................................................................... 82
5.1 MEDICIN DE LA CONDUCTIVIDAD ELCTRICA .......................................................................... 82
5.2 DETECCIN DE DISCONTINUIDADES .......................................................................................... 82
5.3 MEDICIN DE ESPESORES DE RECUBRIMIENTOS NO CONDUCTORES ........................................ 83
5.4 COMPROBACIN DEL EFECTO DE SEPARACIN (LIFT-OFF) .................................................. 84
5.5 COMPARACIN DE COSTOS DEL EQUIPO IMPLEMENTADO DE CORRIENTES INDUCIDAS RESPECTO A EQUIPOS EXISTENTES EN EL MERCADO ....................................................................... 85
5.5.1 CARACTERSTICAS PRINCIPALES DEL PROTOTIPO MICROCONTROLADO DE CORRIENTES INDUCIDAS IMPLEMENTADO EN STE PROYECTO DE TITULACIN .................................................. 85
5.5.2 CARACTERSTICAS PRINCIPALES DEL INSTRUMENTO DE CORRIENTES DE EDDY PHASEC 2S ... 87
5.5.3 CARACTERSTICAS PRINCIPALES DEL INSTRUMENTO DE CORRIENTES DE EDDY PHASEC 3d. . 87
5.5.4 COMPARACIN DE COSTOS ..................................................................................................... 88
CAPTULO 6............................................................................................................................ 91
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................................ 91
6.1 CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 91
6.2 RECOMENDACIONES ................................................................................................................. 92
INSTRUCTIVO DE MANTENIMIENTO ............................................................................. 93
TERMINOLOGA .................................................................................................................... 95
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ..................................................................................... 99
ANEXOS .................................................................................. Error! Marcador no definido.
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xii
RESUMEN En el presente proyecto de titulacin se presenta el diseo e implementacin de
un prototipo microcontrolado de corrientes inducidas, mediante el cual, podremos
identificar o diferenciar variaciones de parmetros fsicos tales como:
conductividad, caracterizacin de materiales, profundidad de fisuras abiertas a la
superficie, profundidad de discontinuidades bajo la superficie, variacin de forma,
espesor de pared en lminas y tubos, en materiales ferromagnticos y no
ferromagnticos.
En el captulo 1 se hace referencia a una breve introduccin acerca de los
ensayos no destructivos y sus diferentes tipos de mtodos, as como tambin su
importancia dentro del control de calidad en la industria.
En el captulo 2 se analiza a los ensayos no destructivos mediante el mtodo de
corrientes inducidas, adems se da a conocer los principios fundamentales de los
efectos magnticos de la induccin de corriente.
En el captulo 3 se presenta el diseo y construccin del prototipo microcontrolado
de corrientes inducidas en cada una de sus etapas, con un enfoque electrnico.
En el captulo 4 se realizaron prcticas de laboratorio con materiales como el
cobre, aluminio, zinc, bronce y plomo, fundamentales en el aprendizaje del
mtodo de corrientes inducidas dentro de los ensayos no destructivos.
En el captulo 5 se analizaron los resultados obtenidos con el prototipo
microcontrolado de corrientes inducidas, as como tambin una comparacin de
costos respecto a equipos de Corrientes de Eddy de venta en el mercado, y por
ltimo en el captulo 6 se realizaron las respectivas conclusiones y
recomendaciones.
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xiii
PRESENTACIN
El mtodo de ensayo no destructivo nos asegura un adecuado mantenimiento en
los procesos de fabricacin y durante el funcionamiento de mquinas en la
industria metalmecnica, petrolera, etc.
Entre las principales reas de aplicacin de los ensayos no destructivos son la de
produccin, operacin y mantenimiento por lo que se puede anotar como
aspectos principales al control de calidad, avance de procesos de produccin,
mejora de la calidad, extensin del tiempo de vida til de mquinas y piezas
fabricadas.
El presente proyecto tiene por objeto implementar un prototipo microcontrolado de
corrientes inducidas que sea capaz de mostrar los cambios que se producen al
inducir corrientes elctricas debido a fisuras abiertas a la superficie, profundidad
de discontinuidades bajo la superficie, variacin de forma, espesor de pared en
lminas y tubos de materiales no ferromagnticos y ferromagnticos (previa
saturacin) por medio de una bobina alimentada por corriente alterna en un rango
de frecuencias de 50 KHz a 400 KHz, mostrando el resultado en un display LDC
con valores en porcentaje, teniendo siempre un patrn de referencia.
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1
CAPTULO 1
FUNDAMENTOS TERICOS
1.1 MTODOS DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
1.1.1 INTRODUCCIN
Los Mtodos de Ensayos no Destructivos permiten a ingenieros y tcnicos definir
e implementar pruebas para caracterizar y localizar condiciones y fallas en
materiales, en muchos casos estas son las causantes de accidentes graves,
como por ejemplo: precipitacin o choque de aviones, fallos en reactores, tuberas
a punto de estallar, y muchos otros acontecimientos aunque no tan peligrosos
pero que no deben pasar desapercibos.
Los materiales que se pueden inspeccionar son los ms diversos, entre metlicos
y no metlicos, normalmente utilizados en procesos de fabricacin, tales como:
laminados, fundidos, forjados y otras conformaciones.
1.1.2 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
Los Ensayos no destructivos, tambin conocidos como END o NTD (Non
Destruction Test), consisten en someter a un material o estructura metlica o no
metlica, a un tipo de prueba que no altere de forma permanente sus
propiedades fsicas, qumicas, mecnicas o dimensionales, con el propsito de
obtener informacin acerca de fallas o defectos, de manera que se pueda ofrecer
un excelente equilibrio entre el control de la calidad, y la eficacia en costos.
En todos los casos de Ensayos no Destructivos, el material objeto de ensayo se
somete a la accin de ciertos fenmenos fsicos, que hacen que la energa bajo
diferentes formas fluya a travs del material. Las heterogeneidades y
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2
discontinuidades provocan anomalas en el flujo de esa energa (distorsin,
reflexin, absorcin, etc) que se detectan desde el exterior de la muestra.
Podemos establecer distintas clasificaciones de los mtodos de END segn sus
fundamentos, aplicaciones o su estado actual de desarrollo.
1.1.2.1 Segn sus fundamentos
Se basan esencialmente en las aplicaciones de uno o varios de los siguientes
fenmenos fsicos:
Ondas electromagnticas (comprendiendo fenmenos basados en las
propiedades elctricas y/o magnticas de las muestras.)
Ondas elsticas o acsticas.
Emisin de partculas subatmicas.
1.1.2.2 Segn sus aplicaciones
De manera general se puede decir que las aplicaciones de los mtodos de END
permiten realizar estudios de defectos, hacer mediciones y caracterizar
materiales.
Defectologa: Deteccin, ubicacin y evaluacin de: heterogeneidades,
discontinuidades, impurezas, corrosin, fugas; puntos calientes, etc.
Metrologa: Medicin de: espesores de material base de ambos lados y de
un solo lado, de recubrimientos, de dureza, controles de nivel, etc.
Caracterizacin de materiales: Determinacin de caractersticas fsicas,
mecnicas, qumicas.
1.1.2.3 Segn el estado actual de desarrollo
De acuerdo al Estado Actual de Desarrollo se pueden clasificar en Mtodos
convencionales de END y en Mtodos nuevos o no convencionales de END.
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3
1.1.2.3.1 Mtodos convencionales de END
Consideramos como mtodos convencionales aquellos que debido al desarrollo
actual de los equipos y tcnicas operatorias, permiten seguir el ritmo de la
produccin, proporcionan un registro permanente y permiten la automatizacin del
proceso de inspeccin. Estos mtodos son los que comnmente se utilizan en la
industria.
1.1.2.3.2 Mtodos nuevos o no convencionales de END
Consideramos como mtodos nuevos, aquellos de reciente introduccin o en
perodo actual de desarrollo, o aquellos que no tienen una utilizacin
generalizada.
El desarrollo acelerado de estos mtodos nuevos ha sido principalmente por los
avances tecnolgicos en los campos aerospacial y nuclear, en los que se
requieren un severo control de calidad en los materiales.
1.1.3 MTODOS DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS MS UTILIZADOS
El nmero de mtodos de ensayos no destructivos que se pueden utilizar para
inspeccionar componentes y realizar medidas es grande y sigue creciendo,
debido a que los investigadores siguen encontrando nuevas formas de aplicacin
de la fsica y otras disciplinas cientficas para desarrollar mejores mtodos de
ensayos no destructivos, sin embargo, a continuacin se sealan los mtodos de
ensayos no destructivos que se utilizan con mayor frecuencia dentro de procesos
de control de calidad en materiales:
Inspeccin Visual y Pruebas pticas
Ensayo por Lquidos Penetrantes
Ensayo Radiogrfico
Ensayo por Ultrasonido
Ensayo por Corrientes Inducidas
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1.1.3.1 Inspeccin Visual y Pruebas pticas
La inspeccin visual implica el uso de un inspector ocular para buscar defectos. El
inspector tambin puede utilizar herramientas especiales tales como lupas,
espejos, etc, para acceder y ampliar la inspeccin del rea. Los examinadores
visuales siguen procedimientos que van desde los ms simples hasta muy
complejas.
La limitante en este mtodo de ensayo no destructivo es la deteccin nicamente
de discontinuidades abiertas a la superficie.
1.1.3.2 Ensayo por Lquidos Penetrantes
Este mtodo de inspeccin requiere de lquidos, tintas o soluciones visibles o
fluorescentes, los cuales sirven para cubrir el objeto de prueba, que luego de la
aplicacin de una tcnica de secado y en algunos casos luz ultravioleta, se
pueden observar fcilmente imperfecciones o fallas en un material. La velocidad y
la extensin de esta accin dependen de propiedades tales como tensin
superficial, la cohesin, la adhesin y la viscosidad.
Es un mtodo para detectar discontinuidades abiertas a la superficie.
(a) (b)
Figura 1.1 Tintas penetrantes: (a) comunes vistas con luz comn; (b) fluorescentes vistas
con luz negra.1
1 Figura tomada de http://www.thermoequipos.com.ve/pdf/articulo_06.pdf
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1.1.3.3 Ensayo Radiogrfico
El ensayo radiogrfico supone la utilizacin de rayos x y gamma para examinar
imperfecciones en materiales y piezas. Este mtodo de inspeccin no destructiva
se basa en la absorcin de radiacin penetrante por la pieza que est siendo
inspeccionada. Esa variacin en la cantidad de radiacin absorbida, detectada
mediante un medio, nos indicar, entre otras cosas, la existencia de una falla
interna o defecto en el material.
1.1.3.4 Ensayo por Ultrasonido
Los ultrasonidos emplean ondas de sonido de longitud de onda corta a altas
frecuencias, para identificar discontinuidades o errores tanto en la superficie como
en el interior de materiales, adems de medir espesores y detectar corrosin.
1.1.3.5 Ensayo por Corrientes Inducidas o de Foucault (Eddy Currents)
La inspeccin por Corrientes de Foucault es uno de los mtodos de ensayos no
destructivos que utilizan el principio de interaccin de campos magnticos para la
realizacin de exmenes y pruebas.
El ensayo por corrientes inducidas es de gran versatilidad, lo que permite su uso
en la solucin de problemas tales como:
Medicin de parmetros fsicos:
Conductividad elctrica: capacidad de un material o medio para
conducir corriente elctrica.
Permeabilidad magntica: capacidad de un material o medio para
atraer y hacer pasar a travs de s campos magnticos.
Deteccin de discontinuidades:
Corrosin: deterioro que sufre un material cuando interacta con el
medio en el que trabaja.
Grietas: hendiduras o aberturas en cuerpos o materiales slidos.
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6
Separacin de materiales mezclados:
Medicin de espesores de recubrimiento: lminas delgadas de
pintura u otro de tipo de materiales, que cubren la superficie de un
material ferromagntico, con el propsito de evitar oxidaciones o
corrosiones.
Algunas de las ventajas de la inspeccin de Corrientes de Foucault son:
Sensible a las pequeas grietas tanto superficiales como internas en los
materiales.
La inspeccin da resultados inmediatos.
El mtodo puede ser utilizado para diferenciacin de conductividad en
diversos materiales.
Es necesaria la mnima preparacin del material.
Algunas de las limitaciones de la inspeccin de Corrientes de Foucault son:
Slo los materiales conductores pueden ser inspeccionados.
La superficie debe ser accesible a la bobina.
El acabado superficial y la aspereza en gran proporcin (asperezas a
simple vista) puede interferir en las mediciones.
La profundidad de penetracin es limitada de acuerdo con la frecuencia del
generador alimentador del Puente de Wheatstone.
En general, la tcnica se utiliza para inspeccionar un rea relativamente pequea,
el diseo de la bobina y los parmetros de prueba deben ser establecidos con un
buen conocimiento de la falla que necesita ser detectada.
1.2 MATERIALES OBJETO DE PRUEBAS EN EL LABORATORIO
DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
1.2.1 MATERIALES MAGNTICOS
Dependiendo de las peculiaridades de la estructura electrnica de los materiales
se distinguen diferentes tipos de materiales magnticos:
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Materiales Diamagnticos
Materiales Paramagnticos
Materiales Ferromagnticos
1.2.1.1 Materiales Diamagnticos
El diamagnetismo es un efecto universal porque se basa en la interaccin entre el
campo aplicado y los electrones mviles del material. Las caractersticas
esenciales de los materiales diamagnticos son:
Los materiales diamagnticos se magnetizan dbilmente en el sentido
opuesto al del campo magntico aplicado. Resulta as que aparece una
fuerza de repulsin sobre el cuerpo respecto del campo aplicado.
La susceptibilidad magntica es negativa y pequea y la permeabilidad
relativa es entonces ligeramente menor que 1.
La intensidad de la respuesta es muy pequea.
Ejemplos de materiales diamagnticos son el cobre y el helio.
1.2.1.2 Materiales Paramagnticos
Los materiales paramagnticos se caracterizan por tomos con un momento
magntico neto, que tienden a alinearse paralelo a un campo aplicado. Las
caractersticas esenciales de los materiales paramagnticos son:
Los materiales paramagnticos se magnetizan dbilmente en el mismo
sentido que el campo magntico aplicado. Resulta as que aparece una
fuerza de atraccin sobre el cuerpo respecto del campo aplicado.
La susceptibilidad magntica es positiva y pequea y la permeabilidad
relativa es entonces ligeramente mayor que 1.
La intensidad de la respuesta es muy pequea, y los efectos son
prcticamente imposibles de detectar excepto a temperaturas
extremadamente bajas o campos aplicados muy intensos.
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Distintas variantes del paramagnetismo se dan en funcin de la estructura
cristalina del material, que induce interacciones magnticas entre tomos vecinos.
Ejemplos de materiales paramagnticos son el aluminio y el sodio.
1.2.1.3 Materiales Ferromagnticos
El diamagnetismo y el paramagnetismo son inducidos por un campo magntico
aplicado, y la imantacin permanece slo mientras se mantenga el campo. Un
tercer tipo de magnetismo, denominado ferromagnetismo, es de gran importancia
en ingeniera. Los materiales ferromagnticos producen campos magnticos que
pueden mantenerse o eliminarse a voluntad.
Los elementos ferromagnticos ms importantes son el hierro (Fe), cobalto (Co) y
nquel (Ni).
Las caractersticas esenciales de los materiales ferromagnticos son:
Los materiales ferromagnticos se magnetizan fuertemente en el mismo
sentido que el campo magntico aplicado. Resulta as que aparece una
fuerza de atraccin sobre el cuerpo respecto del campo aplicado.
La susceptibilidad magntica es positiva y grande y la permeabilidad
relativa es entonces mucho mayor que 1.
Los materiales ferromagnticos, compuestos de hierro y sus aleaciones con
cobalto, tungsteno, nquel, aluminio y otros metales, son los materiales
magnticos ms comunes y se utilizan para el diseo y constitucin de ncleos de
los transformadores y maquinas elctricas.
Ejemplos de materiales ferromagnticos son el hierro, el cobalto, el nquel y la
mayora de los aceros.
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1.2.2 MATERIALES FERROSOS Y NO FERROSOS
1.2.2.1 Materiales Ferrosos
Los materiales ferrosos son aquellos cuyo componente principal es el hierro (Fe);
y el Carbono (C) es el principal regulador de sus propiedades.
Dentro de los ensayos no destructivos los materiales ferrosos comnmente
utilizados son los aceros, que no son ms que aleaciones de hierro y carbono.
Los aceros se clasifican de acuerdo a su concentracin de carbono siendo los
ms utilizados dentro de la industria los: aceros de bajo carbono, aceros de alta
resistencia y baja aleacin, aceros de medio carbono, aceros de alto carbono y
aceros inoxidables.
1.2.2.2 Materiales no Ferrosos
Los metales no frricos pueden clasificarse, atendiendo a su densidad en:
pesados, ligeros y ultraligeros.
Los materiales no frricos de mayor aplicacin industrial son el cobre y sus
aleaciones, el aluminio, el plomo, el estao y el zinc:
1.2.2.2.1 Cobre
El cobre tiene un punto de fusin alto de 1083C, es dctil, manejable y posee
una alta conductividad elctrica y trmica. Entre las aleaciones ms importantes
tenemos al bronce (Cu+Sn) y al latn (Cu+Zn). El cobre es de gran utilidad dentro
de la industria, como por ejemplo en la fabricacin de: campanas, engranes,
cables elctricos, motores elctricos, etc.
1.2.2.2.2 Estao
El estao tiene un punto de fusin bajo de 231C, posee baja resistencia, baja
dureza y buena ductilidad. Entre las aleaciones ms importantes se tiene:
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aleaciones para soldar o soldaduras blandas (Pb+Sn) y bronces (Cu+Sn).
Algunas de sus aplicaciones ms importantes son la fabricacin de hojalata y la
proteccin del acero contra la oxidacin.
1.2.2.2.3 Zinc
El zinc se destaca por ser un material con un punto de fusin relativamente bajo
de 419C, es muy resistente a la corrosin en el aire y en el agua, pero poco
resistente al ataque de cidos y sales. Entre las aleaciones ms importantes se
tiene: latones (Cu+Zn). Una de sus aplicaciones ms importantes es la de
recubrimiento para otros metales con el propsito de evitar corrosin,
generalmente se utiliza el termino galvanizado cuando se aplica zinc sobre otro
material.
1.2.2.2.4 Aluminio
El aluminio tiene un punto de fusin de 660 C, es muy ligero e inoxidable, es
dctil, manejable, buen conductor de electricidad y del calor. Principalmente,
aleaciones de aluminio y magnesio (Al +Mg) son empleados en el campo de la
aeronutica, y aleaciones de aluminio, nquel y cobalto (ALNICO), son utilizados
en la fabricacin de potentes imanes permanentes. Otras de sus muchas
aplicaciones son la fabricacin de alambres, herramientas, electrodomsticos,
adems, el aluminio en polvo se usa en pinturas, combustible para cohetes,
explosivos, etc.
1.2.2.2.5 Plomo
El plomo posee un punto de fusin de 327,4C, es muy manejable, se oxida
fcilmente, resiste a los cidos clorhdrico y sulfrico. La soldadura blanda
(Sn+Pb) es una de sus aleaciones principales. Se utilizan una gran variedad de
compuestos de plomo para diversas aplicaciones; el azuro de plomo, es el
detonador estndar para los explosivos, los arseniatos de plomo se emplean en
grandes cantidades como insecticidas para la proteccin de los cultivos; el
litargirio (xido de plomo) se emplea mucho para mejorar las propiedades
magnticas de los imanes de cermica de ferrita de bario.
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CAPTULO 2
CORRIENTES INDUCIDAS
2.1 ANLISIS DE LAS CORRIENTES INDUCIDAS
Es una tcnica de inspeccin no destructiva, que se basa en la generacin de un
campo magntico y que permite la deteccin de discontinuidades a nivel
superficial y subsuperficial.
El ensayo por corrientes inducidas consiste en hacer pasar una corriente alterna
por una bobina, la cual genera un campo magntico. Al colocar la pieza a
inspeccionar en direccin perpendicular al campo magntico creado por la bobina,
se generan corrientes inducidas (Corrientes Eddy) circulares en la pieza. Las
corrientes elctricas inducidas van a producir un campo magntico (secundario),
que se va a oponer al campo magntico de la bobina (primario) modificando la
impedancia. La consiguiente variacin de la corriente elctrica que circula por la
bobina es el parmetro que se mide y registra. Los defectos existentes en la pieza
interrumpen las Corrientes Eddy, lo que provoca que el campo magntico
producido por dichas corrientes sea menor. En la Figura 2.1 se muestra un
esquema de este mtodo.
Figura 2.1 Generacin del Campo de Corrientes Eddy2
2 Figura tomada de http://www.obtesol.es/index.php?option=com_content&task=view&id=181&
-
12
Las trayectorias circulares de las corrientes inducidas son paralelas a la superficie
del objeto. Estas trayectorias de corrientes inducidas envuelven a su vez lneas de
flujo magntico dentro del material en inspeccin. En la Figura 2.2 se muestra las
corrientes inducidas circulares en la pieza y la direccin del flujo magntico.
Figura 2.2 Corrientes Inducidas Circulares3
Los ensayos por corrientes inducidas consisten en la utilizacin de una bobina,
por la cual circula una corriente alterna, que al momento de acercar a un material
conductor se produce un cambio en la impedancia. Es una muestra bidimensional
de la amplitud y fase de la respuesta del ensayo.
2.2 MTODO DE FORMULACIN DEL CAMPO MAGNTICO
2.2.1 CAMPO MAGNETICO
La corriente elctrica va siempre acompaada de fenmenos magnticos. Este
efecto de la corriente elctrica desempea una funcin importante en casi todos
los aparatos y mquinas elctricas.
3 Figura tomada de bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/510/1/CD-0462.pdf
-
13
El espacio en que actan fuerzas magnticas se denomina campo magntico.
Este se forma, por ejemplo, entre los extremos de un imn recto o entre los
brazos de un imn en forma de herradura.
Figura 2.3 Campo Magntico4
La relacin entre la polaridad magntica de una espira y el sentido de la corriente
que circula por ella la establece la regla de la mano derecha de la que se deriva
esta otra: una cara es norte cuando un observador situado frente a ella ve circular
la corriente (convencional) de derecha a izquierda y es sur en el caso contrario.
En la Figura 2.3 se muestra el sentido de la corriente segn el campo magntico.
2.2.2 FLUJO MAGNETICO
Se llama flujo magntico al nmero total de lneas de fuerza creadas por un
campo magntico. Se representa con la letra griega (phi), y tiene como unidad el Weber (W).
4 Figura tomada de http://www.etitudela.com/Electrotecnia/downloads/magnetimo.pdf
-
14
Figura 2.4 Flujo Magntico
El flujo magntico es el producto del valor absoluto de los vectores densidad de
flujo () y superficie de rea (), debido a que el campo magntico es perpendicular a la superficie, como se indica en la Figura 2.4.
La densidad de flujo es el nmero de lneas de fuerza que pasan
perpendicularmente por un rea de 1 centmetro cuadrado. Se representa con la
letra B y tiene como unidad la Tesla (T).
2.3 PARMETROS DE ENSAYO
Las tcnicas de inspeccin por corrientes inducidas dependen de varios
parmetros que corresponden a propiedades del material que se va a
inspeccionar, caractersticas de las bobinas, o del procedimiento mismo de
inspeccin.
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15
Entre los factores ms importantes cabe destacar los siguientes: impedancia y
caractersticas de la bobina; conductividad elctrica; permeabilidad magntica;
grietas; profundidad de penetracin; efecto de separacin, y efecto de borde.
2.3.1 IMPEDANCIA DE LA BOBINA
La impedancia de una bobina es la suma fasorial de la resistencia hmica y la
reactancia inductiva, ambas expresadas en ohmios (), por tanto la unidad de la impedancia est en ohmios (). Se representa por la letra , y es la oposicin que presenta la bobina al paso de la corriente.
Si hacemos circular por la bobina una corriente continua, la resistencia elctrica,
R, de la bobina es lo nico que se opone a dicha corriente, se verificar la ley de
Ohm:
Donde: = cada de tensin a travs de la bobina en voltios = corriente que circula a lo largo de la bobina en amperios = resistencia equivalente de la bobina en ohmios
Por el contrario, al aplicar una corriente alterna, como se muestra en la Figura 2.5,
la resistencia a la corriente se compone de dos parmetros: la resistencia
equivalente, R, y la reactancia inductiva, XL, de la bobina (ambas expresadas en
ohmios).
La reactancia inductiva XL se expresa como:
XL = 2 Lo
Donde, es la frecuencia de la corriente alterna en Hertz (Hz); y Lo, la autoinductancia de la bobina en Henrys. Ntese que la reactancia inductiva, XL,
depende de los parmetros de la bobina y la frecuencia de prueba.
-
16
Figura 2.5 Circuito en Corriente Alterna5
La aplicacin de la ley de Ohm nos conduce a la nueva frmula:
Donde , es la impedancia de la bobina y est compuesta de una parte reactiva y una resistiva.
Cuando aumenta la frecuencia, la impedancia de la bobina tambin lo hace, por lo
que disminuye la intensidad del campo magntico primario y, en consecuencia,
baja la intensidad de la corriente inducida en la pieza que se evala. Los voltajes y (Figura 2.5) debidos a la reactancia inductiva y la resistencia de la bobina, estn desfasados uno respecto al otro en un ngulo de 90.
Adems de la ley de Ohm, tambin se puede utilizar una representacin
rectangular como se muestra en la Figura 2.6, formado por los catetos , y la hipotenusa , para calcular el valor de la impedancia.
El ngulo entre el voltaje de un generador y su corriente se denomina ngulo de
fase del circuito. Su smbolo es (theta).
5 Figura tomada de http://www.imt.mx/archivos/Publicaciones/PublicacionTecnica/pt231.pdf
-
17
Figura 2.6 Tringulo de Impedancias
En la Figura 2.6 el ngulo entre y es el ngulo de fase. Se puede calcular de la siguiente forma:
El valor de en las bobinas utilizadas en corrientes inducidas es, en general, bajo, por lo que, su impedancia puede considerarse como puramente reactiva.
2.3.2 CARACTERISTICAS DE LA BOBINA
Todo cable por el que circula una corriente crea a su alrededor un campo
magntico muy dbil, para aprovechar la energa de dicho campo magntico se
enrolla al alambre conductor y de esta forma se obtiene lo que se conoce como
bobina.
Figura 2.7 Bobina
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18
2.3.2.1 Intensidad de Campo
Se denomina intensidad de campo a la causa que origina el campo magntico, se
representa con la letra H, la unidad de medida es el amperio/metro (A/m) y est
dada por:
Donde: = nmero de espiras de la bobina = intensidad de la corriente = longitud de la bobina
La intensidad de campo aumenta a medida que se incrementa el nmero de
espiras en la bobina, y disminuye conforme aumenta la longitud.
A partir de la intensidad de campo, podemos calcular la densidad de flujo
mediante la frmula:
Donde es la permeabilidad magntica del material que se utiliza como ncleo de la bobina en .
2.3.3 CONDUCTIVIDAD ELCTRICA
La conductividad elctrica es una propiedad que tienen los metales para dar paso,
con mayor o menor resistencia al flujo de corriente, se representa con la letra (sigma), y su unidad es S/m (Siemens por metro). La conductividad elctrica
depende de la distribucin y energa de los electrones que rodean al ncleo. Los
materiales recocidos (estructura ordenada), conducen mejor que los materiales
deformados (estructura desordenada).
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19
Mediante la aplicacin de corrientes inducidas posibilita la medicin de
conductividad elctrica, en trminos de porcentaje IACS (Patrn Internacional de
Cobre Recocido). La medida de la conductividad se hace tomando como
referencia la del cobre no aleado y recocido, que se toma como 100% IACS. En la
Tabla 2.1 se presenta la conductividad elctrica de algunos metales en siemens
por metro y en porcentaje IACS.
METAL
CONDUCTIVIDAD
ELCTRICA ABSOLUTA (S/m)
CONDUCTIVIDAD
ELCTRICA (%IACS)
Plata 6,30 * 107 105
Cobre 5,96 * 107 100
Oro 4,55 * 107 70
Aluminio 3,78 * 107 61
Tabla 2.1 Conductividad Elctrica de Metales
2.3.4 PERMEABILIDAD MAGNTICA
La permeabilidad magntica del material de una pieza que se inspeccione tiene
un efecto muy importante en la inspeccin no destructiva, particularmente la que
utiliza Corrientes Eddy. La permeabilidad es un parmetro usado para evaluar el
comportamiento de un material frente al campo magntico. Asimismo, se define
como la capacidad de un material de concentrar lneas magnticas. La
permeabilidad magntica se representa con la letra griega minscula, y est definida por:
Como las Corrientes Eddy se inducen por el campo magntico de la bobina, la
permeabilidad del material influye de manera importante en la corriente inducida
y, por tanto, en el campo magntico secundario.
-
20
La permeabilidad magntica es igual a:
Donde, es la permeabilidad magntica en el vaco y tiene un valor de 4 * 10-7 Y es la permeabilidad magntica relativa que nos permite clasificar a los materiales como ferromagnticos, paramagnticos y
diamagnticos.
Para materiales diamagnticos la permeabilidad magntica tiene un valor menor a
la unidad (=0.99), mientras que para materiales paramagnticos su valor es mayor que la unidad ( =1.05). Para ferromagnticos, el valor de es mayor a uno, >1, lo que significa que el campo magntico inducido se intensifica con el material. Esto ltimo, para los materiales ferromagnticos plantea un problema
potencial cuando se utilizan las Corrientes Eddy en pruebas no destructivas, ya
que las variaciones en el campo magntico pueden producir cambios de
impedancia mayores a los debidos por los parmetros de inters (grietas,
espesor, conductividad, etc). En la Tabla 2.2 se indican los valores de
permeabilidad magntica de algunos materiales.
MATERIAL TIPO PERMEABILIDAD MAGNTICA RELATIVA
Cobre Diamagntico 0,9999991
Aire Paramagntico 1,0000004
Aluminio Paramagntico 1,00002
Cobalto Ferromagntico 250
Nquel Ferromagntico 660
Hierro Ferromagntico 5000
Tabla 2.2 Permeabilidad Magntica Relativa
-
21
La solucin que se da en este ltimo caso es saturar magnticamente el material,
para que los cambios en el campo magntico no se amplifiquen y no superen a
los que se generan por las propiedades de inters. Al saturar la muestra hacemos
que la permeabilidad pase a valer 1, y por tanto el material se pueda ensayar
como si se tratara de un material no ferromagntico.
2.3.5 GRIETAS
La impedancia de la bobina tambin se ve afectada por la presencia de grietas
superficiales o subsuperficiales que provocan distorsin en el flujo de las
corrientes inducidas.
Figura 2.8 Corrientes Eddy en un Material con Grietas6
Alguna irregularidad en el material, por ejemplo una grieta, como se aprecia en la
Figura 2.8, obstruye el paso de las Corrientes Eddy ya que estas tienen que
rodearla, esto genera que la intensidad de las corrientes disminuya y
consecuentemente el campo magntico generado por ellas y que tiene un efecto
reactivo en la bobina tambin se reduzca, y la reactancia en la bobina contina
incrementndose. Este efecto es utilizado en el mtodo de Corrientes Eddy con el
fin de detectar las discontinuidades.
6 Figura tomada de http://www.llogsa.com/nueva_web/Centro_de_descarga/aplicacion
-
22
2.3.6 PROFUNDIDAD DE PENETRACIN
Las corrientes inducidas no se distribuyen uniformemente en toda la masa de la
muestra; por lo contrario, su densidad es mxima en la superficie y disminuye
exponencialmente segn penetran hacia el interior de la muestra. Este fenmeno,
llamado efecto pelicular, es tanto ms acusado cuanto mayor sea la frecuencia de
la corriente, la conductividad de muestra y la permeabilidad magntica.
Figura 2.9 Profundidad de Penetracin Estndar
La profundidad cuando la densidad corrientes inducidas es 1/e (37%), de su
densidad superficial se denomina profundidad de penetracin estndar, se
designa con la letra griega minscula (delta), y se calcula mediante la expresin:
Donde: = profundidad de penetracin estndar en metros = permeabilidad magntica de la muestra en Henrios por metro frecuencia de inspeccin en Hertz = conductividad elctrica en Siemens por metro
-
23
En la expresin anterior, vemos que la profundidad de penetracin es
inversamente proporcional a tres parmetros: frecuencia, permeabilidad y
conductividad, de los cuales slo la frecuencia se tiene como variable, mientras
que los otros dos parmetros son valores fijos y conocidos de la muestra de
ensayo.
Tambin se observa que el valor de aumenta, cuando la conductividad disminuye, con lo que se tiene mayor penetracin en materiales que no son
buenos conductores.
Figura 2.10 Profundidad de Penetracin7
En las muestras de poco espesor, la frecuencia deber ser tal, que la profundidad
de penetracin sea menor que el espesor de la muestra, pues de lo contrario se
obtendran errores en la medidas deseadas, debido a las variaciones de espesor
de la muestra.
En la inspeccin de grietas o discontinuidades superficiales, la frecuencia de
ensayo deber elegirse de manera que dichas grietas o discontinuidades estn
dentro de la zona de la profundidad de penetracin.
7 Figura tomada de http://www.olympus-ims.com/es/ndt-tutorials/eca-tutorial/what-is-eca/depth
-
24
Adicionalmente, la capacidad de penetracin es menor para materiales
ferromagnticos (es decir, la profundidad de penetracin disminuye cuando
aumenta). Como se mencion, los materiales ferromagnticos generalmente se pueden saturar magnticamente con una bobina adicional, por lo que el valor de no presenta variaciones cuando se cambia la frecuencia.
2.3.7 EFECTO DE SEPARACIN (LIFT-OFF)
Las indicaciones de las corrientes inducidas son muy sensibles a la distancia
entre la bobina y la superficie del material inspeccionado, debido a que la
densidad de corriente disminuye rpidamente a medida que la bobina se aleja de
la superficie de la pieza.
Figura 2.11 Efecto de Separacin
Con la bobina en vaco, el vector impedancia tiene su extremo en A, como se
muestra en la Figura 2.11, mientras que para una muestra de conductividad, por
ejemplo 4,55 * 107 S/m en contacto con la bobina, el nuevo extremo estara en B.
Sin embargo, el paso de A a B no es brusco, sino que se produce a medida que la
bobina se va aproximando a la muestra. Esta variacin de la impedancia en
funcin de la distancia es lo que se llama efecto de separacin (lift-off).
-
25
Si vamos tomando valores de la impedancia al variar la distancia, podemos
construir el lugar geomtrico que representa la lnea de trazos (AMNB). Hay que
subrayar que las variaciones sensibles de impedancia comienzan a producirse a
muy poca distancia de la muestra (1 cm o menos), y que las variaciones son
mucho ms pronunciadas en las proximidades del contacto.
2.3.8 EFECTO DE BORDE
El efecto de borde se relaciona con la distorsin en el flujo de corriente inducida,
cuando la bobina se aproxima al borde de la pieza o a una unin entre materiales.
Una distorsin grande en el flujo de corriente puede tener cambios importantes en
las mediciones y por tanto, enmascarar variaciones por otro tipo de anomalas. A
pesar de que existen diseos de bobinas que reducen el rea de inspeccin
minimizando el efecto de borde, ste no se puede eliminar completamente, y es
recomendable que el rea de inspeccin se mantenga a una distancia
determinada de los bordes o fronteras. En general, se establece 3,175 mm como
la distancia mnima a la que se puede aproximar el rea de inspeccin al borde;
sin embargo, el valor depende del tipo y tamao de bobina y la frecuencia de la
corriente alterna de prueba.
Figura 2.12 Colocacin de Bobinas
En la Figura 2.12 se muestra cual es la forma correcta de colocar la bobina en la
muestra a inspeccionar
-
26
2.4 SELECCIN DE LA FRECUENCIA MS ADECUADA
DEPENDIENDO DEL MATERIAL
Como se ha analizado, la frecuencia tiene una influencia significativa en la
inspeccin por Corrientes Eddy, con valores tpicos de inspeccin que van de 200
Hz a ms de 6 MHz. Por lo general, la seleccin de la frecuencia para un caso
especfico implica determinado compromiso con alguna de las variables de
inspeccin; as, por ejemplo, la profundidad de penetracin aumenta a medida
que la frecuencia disminuye; pero por el contrario, la sensibilidad se reduce.
Mientras que para la deteccin de grietas superficiales en materiales no
ferromagnticos se sugieren altas frecuencias (~5 MHz); para materiales
ferromagnticos se requieren frecuencias menores (~1 MHz). Por lo general, el
criterio es utilizar la frecuencia ms alta posible, pero consistente con la
capacidad de penetracin requerida.
2.5 EFECTO DE LAS PRINCIPALES VARIABLES DEL ENSAYO
EN EL PLANO DE IMPEDANCIA
Cuando se acerca la bobina a la superficie de la muestra conductora, la situacin
se modifica de la siguiente manera:
1. Se generan corrientes inducidas en la muestra, y se originan prdidas
hmicas. Es como si hubiese aumentado la resistencia de la bobina, que
pasa a tener un valor distinto de cero (se haba supuesto despreciable la
resistencia en vaco).
2. El campo magntico generado por las corrientes inducidas, al oponerse
constantemente al campo magntico primario, lo debilita, con lo que el
campo en el interior de la bobina es menor que en vaco. En consecuencia
tambin disminuye la autoinduccin (Lo), y por lo tanto, la nueva reactancia
inductiva (), ser menor que (XLo).
-
27
3. Para todos los efectos es como si tuvisemos una nueva bobina en vaco
con una impedancia :
- que es en general menor que o - que presenta una clara componente hmica (), frente a 0 - que tiene una componente reactiva (), menor que ()
Se acostumbra a considerar a la impedancia como un nmero complejo con como componente real, y como componente imaginaria. Esto adems incluye el hecho de que las intensidades asociadas a cada componente estn desfasadas
90.
As, la impedancia puede representarse en unos ejes cartesianos que forman el plano complejo de impedancia. La componente reactiva se sita en el eje de
ordenadas, y puede relacionarse con la energa almacenada en la bobina y en la
muestra durante cada ciclo de la corriente alterna.
Figura 2.13 Plano de Impedancias
Cuando es constante y variable (en aumento), la impedancia aumenta y el ngulo de fase tambin.
-
28
Cuando es constante y variable (en aumento), la impedancia aumenta y el ngulo de fase disminuye.
En la Figura 2.13 se ve la representacin en el plano de impedancia de la bobina
en vaco (Po), y el desplazamiento de este punto hasta P1 al acercar una muestra
conductora. Este punto que representa la impedancia es en realidad el extremo
del vector impedancia.
En ausencia de un objeto metlico en ensayo, la bobina en vaco tiene una
impedancia caracterstica cuyas coordenadas en el plano de impedancia nos dan
el punto Po, de abscisa Ro, y de ordenada XLo.
Si aproximamos la bobina a un objeto metlico, el campo magntico inicial que
presentaba la bobina en vaco queda modificado al superponerse ahora con el
campo magntico que generan desde el objeto en ensayo las corrientes
inducidas, bajo la accin de la bobina. Esta modificacin del campo magntico
inicial tiene exactamente el mismo efecto que el que se obtendra si hubieran
cambiado las caractersticas de la bobina.
La magnitud y direccin del desplazamiento de la impedancia en vaco desde (Po)
a (P1) bajo la influencia del objeto metlico son funciones de las propiedades del
material metlico del objeto y de las caractersticas instrumentales de la bobina.
En determinados casos, se puede calcular, para diferentes frecuencias de
corriente, el efecto que tienen sobre la impedancia caracterstica de la bobina
ciertas propiedades fsicas de la muestra metlica.
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29
CAPTULO 3
DISEO Y CONSTRUCCIN DEL PROTOTIPO MICROCONTROLADO DE CORRIENTES INDUCIDAS
3.1 DISEO DEL CIRCUITO ELECTRNICO
Para el diseo del prototipo microcontrolado de corrientes inducidas, se busc
como construir un instrumento muy verstil que no solo detecte grietas existentes
en materiales no ferromagnticos y ferromagnticos (previa saturacin), si no que
se pueda medir otros parmetros mediante la induccin magntica como la
conductividad, profundidad de fisuras abiertas a la superficie, profundidad de
discontinuidades bajo la superficie, y variacin de forma.
Figura 3.1 Diagrama de Bloques del Prototipo
En la Figura 3.1 se presenta el diagrama de bloques del prototipo microcontrolado
de corrientes inducidas.
A continuacin se disea cada uno de los bloques que conforman el prototipo
empezando desde la fuente de alimentacin.
-
30
3.1.1 FUENTE DE ALIMENTACIN
La fuente de alimentacin nos sirvi para convertir la tensin alterna en una
tensin continua y as polarizar a los circuitos integrados a 12 V, 5 V y 5 V, la
fuente consta de los siguientes componentes:
1.- Transformador de entrada
2.- Rectificador a diodos
3.- Filtro para el rizado
4.- Regulador lineal
3.1.1.1 Transformador de Entrada
En la Figura 3.2 se muestra el transformador con toma central que se compr,
para reducir la tensin de la red de 120 V a 12 V.
Figura 3.2 Transformador a 12 V - 1.5 A
3.1.1.2 Rectificador a Diodos
Se utiliz un rectificador de onda completa como se indica en la Figura 3.3, con
dos diodos (D1 y D2) para convertir la tensin alterna que sale del transformador
en tensin continua pulsante positiva (punto A), que posteriormente se regula a 12
V, 5 V y dos diodos (D3 y D4) para obtener una onda rectificada negativa (punto
B), que luego se regula a 5 V.
-
31
Figura 3.4 Rectificador de Onda Completa
3.1.1.3 Circuito Filtro
La tensin que se obtiene a la salida del rectificador es continua pulsante, esta no
es la clase de tensin continua que requerimos para la alimentacin de los
circuitos electrnicos. Lo que se necesitamos es una tensin constante, similar a
la que produce una batera. Para obtener este tipo de tensin rectificada en la
carga fue necesario emplear un circuito filtro.
Para el circuito filtro se coloc el condensador a la salida de la etapa de
rectificacin, como se puede apreciar en la Figura 3.5, con un valor de 2200 uF,
con el siguiente criterio:
-
32
3.1.1.4 Regulador de Voltaje
Para polarizar a los circuitos integrados necesitamos que la fuente de
alimentacin nos entregue tensiones de 12 V, 5 V y 5 V, para ello se coloc los
reguladores de salida fija: LM7812 LM7805 Y LM7905, como se muestra en la
Figura 3.5, donde se presenta la fuente de alimentacin del prototipo
microcontrolado de corrientes inducidas.
Figura 3.5 Fuente de Alimentacin
El voltaje de 5 V fue necesario para polarizar el microcontrolador (Atmega16), 12
V para el generador de funciones (XR-2206) y acoplador de impedancias, y -5 V
requeridos para la alimentacin del conversor digital anlogo (DAC0808).
3.1.2 MICROCONTROLADOR ATMEGA16
Para el diseo del prototipo se necesit de un microcontrolador con
caractersticas necesarias para controlar un LCD (Display de Cristal Lquido), y
una conversin anloga digital, las cuales poseen los microcontroladores
Atmega8 y Atmega16 optando por el segundo, ya que presenta ms puertos de
entrada y salida de datos.
-
33
En la Figura 3.6 se presenta la distribucin de pines del Atmega16
Figura 3.6 Configuracin de Pines del Atmega16
3.1.2.1 Entradas y salidas de datos del microcontrolador Atmega16
El microcontrolador Atmega16, se lo emple para generar 8 bits por el puerto A,
valores en binario desde 00000000 hasta 11111111, es decir de 0 a 255 en
decimal, los cuales son enviados al conversor digital anlogo (DAC0808), como
se indica en la Figura 3.7, siendo esta la primera etapa de la generacin de una
seal diente de sierra que posteriormente nos sirvi para el barrido de frecuencia.
Para tener una mejor apreciacin, se dividi en tres rangos a los valores
generados a la salida del puerto A, quedando establecidos de la siguiente
manera:
Primer Rango (Rg 1) de 11111111 (255) a 10101010 (170).
Segundo Rango (Rg 2) de 10101010 (170) a 01010101 (85).
Tercer Rango (Rg 3) de 01010101 (85) a 00000000 (0).
-
34
Estos intervalos son seleccionados por medio de tres pulsantes conectados al
pin 3, 4 y 5 del puerto D, que tienen leds en los pines 0, 1 y 2 del puerto C para
identificar cual de los rangos est activado, adems posee dos pulsantes los
cuales sirven para moverse dentro de cada rango ya sea incrementando o
disminuyendo, los que estn conectados a los pines 0 y 1 del puerto D, como se
aprecia en la Figura 3.7, y adems los pines de salida (puerto A) que van al
conversor digital anlogo (DAC0808).
Figura 3.7 Conexin de los Pulsantes en el Microcontrolador ATMEGA16
En la Figura 3.7 se muestra un ejemplo en el cual se presion el pulsante Rg 1,
iluminndose el diodo led como indicador, por lo cual los valores a la salida del
puerto A que van al conversor digital anlogo (DAC0808) se colocan en 11111111
en binario 255 en decimal.
A continuacin se presenta el diagrama de flujo del cdigo de la frecuencia
programado en el microcontrolador Atmega16 comandado por los pulsantes,
indicados en la Figura 3.7.
-
35
No Si No No No
Si Si Si
No No No No Si Si Si
INICIO
Dato 255 de salida al prtico A
Muestra en LCD el valor correspondiente en baja frecuencia
Tecla de baja
frecuencia
Si Si
Tecla de Media
frecuencia
No
Tecla de alta
frecuencia
Se presion una tecla de cambio de frecuencia
Dato 255 al PORTA
Muestra en LCD el valor correspondiente en baja
frecuencia
Dato 170 al PORTA
Muestra en LCD el valor correspondiente en media
frecuencia
Dato 85 al PORTA
Muestra en LCD el valor correspondiente en alta
frecuencia
1
1
2
2
Se encuentra en rango Baja
Frecuencia
No No No
No
Se encuentra en rango
Media Frecuencia
No No No
Se encuentra en rango Alta Frecuencia
3 4 5
1
-
36
No No No No Si Si No No Si Si Si Si
Presion tecla
Incremento
Presion tecla
Decremento
3
Vara en decremento el dato en un rango de 255 a 170 al PORTA
Muestra en LCD el incremento del valor correspondiente en
baja frecuencia
Vara en incremento el dato en un rango de 170 a 255 al PORTA
Muestra en LCD el incremento del valor correspondiente en
baja frecuencia
Se mantiene el dato en el Valor dejado Tanto en el PORTA como en frecuencia en
el LCD
1
Si Si
Si Si
Presion tecla
Incremento
No No
Si Si
Presion tecla
Decremento
4
Vara en decremento el dato en un rango de 170 a 85 al PORTA
Muestra en LCD el incremento del valor correspondiente en
baja frecuencia
Vara en incremento el dato en un rango de 85 a 170 al PORTA
Muestra en LCD el incremento del valor correspondiente en
baja frecuencia
Se mantiene el dato en el Valor dejado Tanto en el PORTA como en frecuencia en
el LCD
1
-
37
No No Si Si Si Si
3.1.3 CONVERSOR DIGITAL ANLOGO (DAC0808)
Las seales digitales generadas por el microcontrolador (Atmega16), son
enviadas al convertidor digital anlogo (DAC0808) de 8 bits a travs del cual se
obtiene una seal de corriente, siendo necesaria una etapa para convertir la
corriente en voltaje, esta transformacin se la hace por medio del amplificador
operacional LF353.
En esta etapa se utiliz una fuente de voltaje de 5 V y 5 V, tanto para el
conversor digital anlogo (DAC0808) como para el amplificador operacional
LF353, adems se define un voltaje de referencia (Vref) al pin 14, por medio de un
divisor de tensin que es de 1,25 V.
En la Figura 3.8 se presenta el circuito que se implement en el prototipo
microcontrolado de corrientes inducidas para la conversin digital anloga.
Presion tecla
Incremento
Presion tecla
Decremento
5
Vara en decremento el dato en un rango de 85 a 0 al PORTA
Muestra en LCD el incremento del valor correspondiente en
baja frecuencia
Vara en incremento el dato en un rango de 0 a 85 al PORTA
Muestra en LCD el incremento del valor correspondiente en
baja frecuencia
Se mantiene el dato en el Valor dejado Tanto en el PORTA como en frecuencia en
el LCD
1
-
38
Figura 3.8 Conversor Digital Anlogo (DAC0808)
El voltaje anlogo a la salida del amplificador operacional LF353 est dado por: Donde es la corriente que ingresa al amplificador operacional y es la resistencia del mismo.
El voltaje est en funcin de A1, A2, A3, hasta A8, que son los bits del dato binario,
teniendo en cuenta que A8 es el bit menos significativo hasta A1 que es el ms
significativo.
Para el caso de seleccionar el primer rango en el microcontrolador pulsando
Rg 1, los valores binarios que ingresan al conversor digital anlogo son
11111111, por lo tanto el voltaje de salida es:
-
39
En la Figura 3.9, se observa la captura de la imagen del osciloscopio con el
voltaje anlogo de salida para valores en los cuales A1, A2A8 son unos. Este valor de voltaje es el mximo de todos los rangos que se puede obtener a la
salida del conversor.
Figura 3.9 Voltaje a la Salida del Conversor
Si los valores binarios que ingresan al conversor son 01010101, la salida de
voltaje anlogo es:
El voltaje calculado se puede apreciar en la Figura 3.10, que es la imagen
capturada del osciloscopio para los valores binarios anteriormente expuestos.
-
40
Figura 3.10 Voltaje a la Salida del Conversor
3.1.4 GENERADOR DE FUNCIONES XR-2206
Para la generacin de la seal alterna se utiliz el integrado XR-2206, generando
con ste una onda cuadrada, el motivo por el cual se escogi esta forma de onda
es para crear un campo magntico constante y por tanto, un flujo constante en la
bobina.
Figura 3.11 Generador de Onda Cuadrada
-
41
En la Figura 3.11 se muestra el circuito implementado para la generacin de la
onda cuadrada del prototipo microcontrolado de corrientes inducidas.
El generador de seales XR-2206 consta de un oscilador controlado por voltaje
(VCO), del cual vamos a tener un barrido de frecuencias mediante la variacin de
la seal de voltaje manejada por los pulsantes del microcontrolador Atmaga16
indicados en la Figura 3.7, con los cuales generamos valores en binario que
posteriormente nos da un equivalente en voltaje por medio del DAC0808.
La tensin que ingresa al generador de funciones para controlar la frecuencia, se
la hace por medio del pin 7, y va de 0 V a un mximo de 2,73 V en el caso de que
el microcontrolador genere el valor de 255 en decimal, es decir todos los bits en
uno.
En el caso de tener la mxima tensin, es decir en el primer rango (Rg 1) vamos a
generar una frecuencia de 50 KHz, como se presenta en la Figura 3.12,
capturada del osciloscopio a 5us/Div.
Figura 3.12 Onda Cuadrada a 50 KHz
-
42
En el segundo rango (Rg 2) se generan valores de 10101010 en binario, la
frecuencia que se obtiene es de 181 KHz a 5us/Div, como se indica en la
Figura 3.13, capturada del osciloscopio.
Figura 3.13 Onda Cuadrada a 181 KHz
Para el tercer rango (Rg 3) se tiene valores de 01010101 en binario que
corresponden a una frecuencia de 301 KHz a 5us/Div, como se muestra en la
Figura 3.14, capturada del osciloscopio.
Figura 3.14 Onda Cuadrada a 301 KHz
-
43
3.1.5 ACOPLADOR DE IMPEDANCIA (CONFIGURACIN EN COLECTOR
COMN)
Para la construccin del circuito amplificador de corriente fueron necesarios
ciertos parmetros como por ejemplo: ganancia, frecuencia de trabajo, voltaje de
salida, fuente de alimentacin, resistencia de entrada, carga a la salida del
amplificador. El circuito amplificador en configuracin colector comn mostrado en
la Figura 3.15, nos sirve como acoplador de impedancia debido a que si
conectamos directamente la etapa de salida del circuito XR-2206 a la etapa de
entrada al Puente de Wheatston, la impedancia de ste ltimo circuito consuma
demasiada corriente del primero (el circuito puente carga al generador) debido a
su baja impedancia de aproximadamente 115 [], provocando una distorsin considerable en la forma de onda necesaria para ver los efectos de las corrientes
inducidas en los materiales de prueba.
Figura 3.15 Circuito Acoplador de Impedancia (Configuracin Colector Comn)
-
44
PARMETROS
DATOS
Ganancia (A) 2
Frecuencia (f) KHz 30
Voltaje de salida (Vo) V 6
Carga (RL) 115 Fuente de alimentacin (VCC) V 12
Resistencia de entrada (Rin) 600 Parmetro del transistor 120
Tabla 3.3 Datos para el Diseo del Acoplador de Impedancia
Con resistencias de tolerancia del 5%
Rin600[]
Req Rin+1 Req 600[]121 Req 4,96 []
RL = 115 [] RE||RL 4,96 [] RE RLRE + RL 4,96 []
RE 5,18 []
asumo RE=100 [] , debido a que con este valor de resistencia se puede cumplir con el parmetro dado como fuente de alimentacin; si no se cumple ste
parmetro sera necesario la implementacin de otra fuente de voltaje de acuerdo
al nuevo valor de Vcc requerido para la polarizacin del amplificador de corriente,
reflejndose dicha necesidad en un incremento tanto en el valor del equipo, como
en las dimensiones fsicas del mismo.
Req=RE||RL Req = 100115 Req=53,49[
-
45
VRE REReq *VopVRE 10053,49 *3[V]VRE5,6[V]
VRE5,6*1,1[V] VRE6,16[V]
IE=VRERE IE= 6,16[V]100[] IE=61,6[mA]
re= 25[mV] re= 25[mV]61,16[mA] re=0,4[] existe estabilidad trmica
VCEVop+VactVCE3[V]+2[V]VCE5[V]
IB= IE+1 IB= 61,6[mA]121 IB=509,09[A]
I2IBI2=10*IB I2=10*509,09AI2=5,09[mA]
I1=I2+IBI1=5,09mA+509,09AI1=5,6[mA]
R2=VE+VJBEI2 R2= 6,16[V]+0,6[V]5,09[mA] R2=1,328[K] asumo R2=1,5[K]
R1=VCC-VE-VJBEI1 R1= 12[V]-6,16[V]-0,6[V]5,6[mA] R1=935,71[] asumo R1=1[K]
Rin = R1||R2||RinT Rin = [K]||[K]||121*(0,4+100[]) Rin = 571,76[]
-
46
Clculo de Capacitores de paso
CE 12*30[KHz]*11[] CE0,48 [F] asumo CE= 1 [F] CB 12*30[KHz]*50[] CB0,106[F] CB0,106[F] asumo CB= 1 [F]
3.1.6 PUENTE DE WHEATSTON
En la Figura 3.16, se presenta el Puente de Wheatston, que es el mtodo en que
se basan los equipos de corrientes inducidas, consta de tres resistencias dos de
igual valor, una bobina y una resistencia variable que sirve para que el puente
est en equilibrio, es decir no exista corriente entre el punto a y b. El circuito est
alimentado con una onda cuadrada de 5,5 voltios pico-pico aproximadamente.
Las resistencias que se utiliz para el puente son de valores bajos ya que se tom
en consideracin que la reactancia inductiva para la mnima y mxima frecuencia
es baja.
El puente se desequilibra cada vez que la bobina entra en contacto con el material
es decir cambia la impedancia, y por tanto existe una corriente entre los puntos a
y b, ya que el voltaje en la rama de la bobina ya no es el mismo.
-
47
Figura 3.16 Puente de Wheatston
Para una frecuencia de 50 KHz se tiene una impedancia de bobina de:
Los voltajes en los puntos a y b del Puente de Wheatston para la tensin mxima
de entrada de 2,73 V son:
-
48
Para poder apreciar estos cambios que se realizan en la impedancia de la bobina,
se utiliz un display LCD, para el cual fue necesario rectificar las seales en los
puntos a y b con el diodo 1N4148 y filtrarlas para la entrada hacia un segundo
microcontrolador Atmega16 que realiza la conversin anloga digital (ADC),
presentando la salida en un LCD.
3.1.7 CONVERSIN ANLOGO DIGITAL
Para la conversin anloga digital se emple el microcontrolador Atmega16, ste
recibe las seales enviadas del Puente de Wheatston por los pines 2 y 6 del
puerto A, realiza la conversin y la resta de las tensiones de los puntos a y b
mediante software, y la presenta en el display LCD como se aprecia en la
Figura 3.17.
Figura 3.17 Entradas al Conversor Anlogo Digital
-
49
La polarizacin al ADC se provee externamente a travs del pin AVCC. Mediante
el pin AREF se aliment al ADC con la seal de referencia de 5 V, y para
minimizar el ruido se conect AVCC a VCC mediante un circuito LC como se
muestra en la Figura 3.18.
Figura 3.18 Conexin de la Alimentacin del ADC
A continuacin se presenta el diagrama de flujo programado en el
microcontrolador Atmega16 del cdigo implementado para la conversin anlogo
digital, y las transformaciones en porcentaje de las variaciones producidas por el
cambio de impedancia de la bobina
INICIO
Almacena 200 datos o muestras de seal a la
entrada del ADC0
1
Almacena 200 datos o muestras de seal a la
entrada del ADC1
Obtiene el Valor mximo y el mnimo de los 200 datos almacenados desde el ADC0, y realiza un promedio entre ambos valores
-
50
No No No Si Si Si
No No No Si Si Si
Se realiza la resta entre el valor del promedio obtenido desde el ADC0 y el valor
del promedio obtenido desde el ADC1
Obtiene el Valor mximo y el mnimo de los 200 datos almacenados desde el ADC1, y realiza un promedio entre ambos valores
Se transforma dicha resta en un valor adecuado de voltaje correspondiente a las
variaciones de impedancia de la bobina con respecto al material de prueba
Presion la tecla modo
normal
No No NoPresion tecla de Toma
referencia 0%
No No NoPresion tecla de toma de
referencia 100%
5 6
Elimina los valores almacenados con respecto a la referencia 0% y
la referencia 100%
Muestra en LCD el valor correspondiente a las
variaciones de impedancia de la bobina con respecto al material de prueba, y se muestran estos valores en el LCD multiplicado
por un factor de 100
Si Si
Presion alguna tecla
No No No
Si Si
Se encuentra en modo normal
No No NoSe
encuentra en modo
porcentaje
2
4
2
Se muestra en el LCD el valor correspondiente a las variaciones de voltaje con respecto al cambio
de impedancia de la bobina y al equilibrio del puente, multiplicado
por un factor de 100
1
1
1
-
51
No No Si Si No No Si Si
7
5
7
Almacena el dato con respecto a la referencia 0%
Muestra en LCD el valor correspondiente a las
variaciones de impedancia de la bobina con respecto al material de prueba, y se muestran estos valores en el LCD multiplicado
por un factor de 100
Se encuentra en modo normal
Se encuentra en modo
porcentaje
El valor a tomar como
referencia a 0% es mayor que
cero
El valor a tomar como referencia a 0% es mayor
que cero
8
Muestra en el LCD
opcin no vlida
Muestra en el LCD
opcin no
vlida
8
Almacena el dato con respecto a la nueva referencia 0%
Transforma el valor
correspondiente a las variaciones de voltaje con respecto al cambio de impedancia de la bobina en un
rango respecto a la referencia tomada como el nuevo valor 0% y
la referencia del 100% anterior, incremento o decremento de escala
El valor es mostrado en el LCD
1
1
1
1
-
52
No No Si Si No No Si
9
6
Se encuentra en modo
normal
Se encuentra en modo
porcentaje
Se tom el valor de
referencia a 0%
No El valor a tomar
como referencia a 100% es menor o
igual que referencia a 0% y
referencia a 0% es mayor que cero
10
Muestra en el LCD Error
escoja la primera
referencia
Muestra en el LCD
Error Fuera de Rango
Almacena el dato con respecto a la nueva referencia 100%
Transforma el valor
correspondiente a las variaciones de voltaje con
respecto al cambio de impedancia de la bobina en un rango respecto a la referencia tomada como 0% y asume este nuevo valor de referencia como
el 100% , incremento o decremento de
escala
1
1
1
10
1
-
53
No Si No Si
Almacena el dato con respecto a la referencia 100% y cambia el
modo a porcentaje
Transforma el valor correspondiente a las
variaciones de voltaje con respecto al cambio de
impedancia de la bobina en un rango respecto a la referencia
tomada 0% y asume este valor de referencia como el 100%
El valor es mostrado en el LCD
9
El valor a tomar
como referencia a 100% es menor o
igual que referencia a 0% y
referencia a 0% es mayor que cero
Muestra en el LCD
Error Fuera de Rango
1
4
El valor es menor al 100% y
mayor al 0%
Transforma el valor correspondiente a las variaciones de voltaje con
respecto al cambio de impedancia de la bobina y el desequilibrio del puente en un rango respecto a la referencia tomada como 0% y el
valor de referencia tomada como el 100%
Se muestra en el LCD el correspondiente valor en
porcentaje
Se muestra en el LCD Porcentaje Fuera de
Rango
1
-
54
3.1.8 DISPLAY LCD
Para mostrar los cambios que se producen al desequilibrarse el puente por causa
del cambio de impedancia de la bobina, se utiliz un display LCD de 2x16, es
decir 2 filas y 16 columnas, como se indica en la Figura 3.19.
Figura 3.19 Display LCD 16*2
3.1.8.1 Conexin del display LCD con el microcontrolador Atmega16
Los pines del 7 al 14 forman un bus de datos por los cuales se enva la
informacin para escribir en el display LCD. En las seales de datos solo fue
necesario 4 de los 8 pines, se utiliz el 11, 12, 13 y 14 conectados a los pines 2,
3, 4 y 5 del puerto D del microcontrolador Atmega16, como se indica en la Figura
3.20.
Fig
