Um design sofisticado de núcleo de cobre para convergir o controle giratório de correntes parasitas para detectar rachaduras em materiais condutores

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5479 (2023) Citar este artigo

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O teste de corrente parasita (EC) foi selecionado como candidato padrão para detecção de defeitos em materiais condutores nas últimas décadas. No entanto, inventar sondas de CE capazes de detectar pequenos defeitos sempre foi um desafio para os pesquisadores devido ao compromisso entre as dimensões da sonda e a resistência do CE gerado na superfície da peça de teste. Aqui, usamos um núcleo de cobre com um design sofisticado para convergir o EC rotativo na ponta do núcleo de cobre para detectar pequenas trincas em todas as direções em materiais condutores. Neste método, podemos acomodar arbitrariamente uma grande bobina de excitação de modo que um EC uniforme giratório maior seja gerado em uma pequena área da peça de teste. Conseqüentemente, a sonda pode detectar rachaduras em todas as direções em materiais condutores.

Pequenos defeitos em componentes estruturais representam riscos potenciais. Devido às vantagens de alta velocidade, sensibilidade e eficiência1,2,3,4, o teste de correntes parasitas (EC) é o teste não destrutivo dominante aplicado para detectar defeitos em materiais condutores para diversas indústrias, como aviação5,6, ferrovia7, 8,9, e da indústria petroquímica10, e da área de engenharia civil, como em pontes de aço11,12. É um método essencial para coletar informações sobre defeitos na área de manutenção13,14.

Hoshikawa et al.15 observaram que um padrão de linha reta EC induzido na superfície da peça de teste pode aumentar a relação sinal-ruído (SNR). Esta técnica é conhecida como medição de corrente parasita uniforme (UEC) no Japão. Enquanto isso, esta técnica é chamada de medição de campo de corrente alternada na América e na Europa. Além disso, a realização de características autodiferenciais e autoanulatórias para sondas de CE pode reduzir o efeito dos sinais de ruído . A sonda UEC típica foi inventada por Hoshikawa e é chamada de sonda Hoshi . A estrutura da sonda Hoshi consiste basicamente em uma bobina de excitação retangular tangencial e uma bobina de detecção circular ou retangular. O princípio do transdutor UEC é que quando existe um defeito no material, ele interrompe a distribuição do UEC e altera o fluxo magnético através da bobina de detecção.

Até o momento, muitos pesquisadores continuam a investigar e desenvolver novas sondas de EC para alcançar um SNR alto e prever o tamanho de defeitos cada vez menores. Um núcleo de ferrite foi aplicado como material central da bobina de excitação para aumentar a amplitude do campo magnético e, assim, melhorar a capacidade de detecção de defeitos devido à sua alta permeabilidade . Até o momento, as sondas UEC têm tido uma desvantagem na detecção de pequenos defeitos porque há uma necessidade de uma grande intensidade de corrente de excitação e, portanto, de uma grande estrutura da sonda para que um EC forte seja gerado na superfície da peça de teste para aumentar a sensibilidade de detecção. No entanto, isso afeta a capacidade de detecção de pequenos defeitos porque a distribuição de CE induzida é muito grande em comparação com o tamanho de pequenos defeitos. Além disso, em vez dos sensores ECT tradicionais, um sensor de matriz de correntes parasitas flexível e altamente sensível também é usado para detectar defeitos microscópicos de superfície . Devido à medição de condutividade de alta frequência e à grande amperagem de excitação, o campo magnético diverge em torno da bobina de excitação e cobre uma grande área, resultando em alto desempenho para detecção de microdefeitos. Mesmo assim, sondas flexíveis de arranjo de correntes parasitas geralmente possuem um pequeno número de voltas de fio de cobre. Portanto, bobinas planas necessitam de medições de condutividade em altas frequências para conseguirem atingir um bom desempenho (geralmente entre 100 kHz e 10 MHz). Neste modo, obviamente haverá muito ruído e um efeito de pele superficial. Além disso, para buscar a resolução espacial, uma sonda flexível de arranjo de correntes parasitas tem uma grande resolução espacial, o que será desvantajoso ao examinar peças de teste com uma área pequena, especialmente porque não consegue detectar fissuras adjacentes. Portanto, em nosso estudo anterior, considerou-se que uma sonda de convergência de correntes parasitas (ECC) com um núcleo de cobre com fendas, cavidades e uma placa encaixada sob a bobina de excitação criava um EC extremamente forte convergindo na ponta do núcleo de cobre . . No entanto, para a sonda ECC do trabalho anterior, a amplitude do sinal de trinca foi significativamente reduzida quando as linhas EC eram paralelas ao comprimento da trinca em comparação com a perpendicular ao comprimento da trinca, levando a uma avaliação significativamente afetada das características da trinca. Um método para resolver este problema é utilizar um par de núcleos de excitação com a mesma frequência e correntes com diferença de fase de 90° para gerar um EC rotativo na superfície do corpo de prova . No entanto, nosso estudo anterior foi prejudicado na criação de rotação de CE na superfície da peça de teste porque essa rotação não foi gerada diretamente pelas bobinas de excitação, mas pelos CE convergindo na ponta do núcleo de cobre. Em outras palavras, para criar um EC rotativo uniforme em toda a superfície da peça de teste, os ECs que convergem na ponta do núcleo de cobre capaz de rotação uniforme devem ser controlados. Portanto, este estudo apresenta uma nova sonda rotativa uniforme de convergência de correntes parasitas (RUECC) usando um design sofisticado de um núcleo de cobre que pode criar ECs rotativos convergindo na ponta do núcleo de cobre, resultando na geração de um EC rotativo extremamente forte no superfície da peça de teste para detectar pequenas rachaduras em todas as direções. Ao ajustar o tamanho e o número de voltas da bobina de excitação e a estrutura do núcleo de cobre para produzir ECs que convergem na ponta do núcleo de cobre, a sonda RUECC pode superar a desvantagem das sondas ECC nos estudos anteriores . Espera-se que a capacidade de detectar pequenos defeitos em todas as direções com a sonda também melhore significativamente. Além disso, uma bobina de detecção circular adere às características de auto-anulação e auto-diferencial e resulta na eliminação de sinais de ruído pela sonda RUECC (especialmente sinais de ruído durante a elevação). A análise de elementos finitos foi realizada para confirmar a convergência das correntes parasitas na ponta do núcleo de cobre. Este estudo obteve com sucesso o RUECC na ponta do núcleo de cobre, fabricando o núcleo de cobre com base nos resultados da análise de elementos finitos. Excelente capacidade de detecção de defeitos foi obtida com o design especial do núcleo de cobre em comparação com a literatura existente.