Diseño y construcción de un equipo de corrientes inducidas que permita la visualización del plano de impedancia para análisis de materiales, destinado al Laboratorio de Ensayos No Destructivos, de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la EPN

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO DE CORRIENTES INDUCIDAS QUE PERMITA LA VISUALIZACIÓN DEL PLANO DE IMPEDANCIA PARA ANÁLISIS DE MATERIALES, DESTINADO AL LABORATORIO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS, DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA DE LA EPN. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL. COLLAHUAZO SORIA DANIEL IGNACIO [email protected]. VILLA TUQUINGA MAURO JAVIER [email protected]. DIRECTOR: ING. OSWALDO BUITRÓN [email protected]. Quito, diciembre 2014.

(2) ii. DECLARACIÓN. Nosotros, Collahuazo Soria Daniel Ignacio y Villa Tuquinga Mauro Javier, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.. A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. ______________________ Daniel Collahuazo. ___________________ Mauro Villa.

(3) iii. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Collahuazo Soria Daniel Ignacio y Villa Tuquinga Mauro Javier, bajo mi supervisión.. ________________________ Ing. Oswaldo Buitrón DIRECTOR DEL PROYECTO. __________________________ Ing. Miguel Villacrés CODIRECTOR DEL PROYECTO.

(4) iv. AGRADECIMIENTO A mis padres, hermanas, familiares, amigos y personas que me han ayudado, apoyado y guiado, durante todo el tiempo vivido, y a quienes he conocido en esta etapa que culmino.. A la música, pintura, literatura y otras formas de arte que han sido un complemento muy importante en mi vida, especialmente al poeta maldito Charles B. y a sus flores enfermizas. Entre sueños, mitos y leyendas la realidad y la imaginación convergen para crear un mundo a nuestra medida.. Daniel C..

(5) v. DEDICATORIA. A mis seres queridos, especialmente a mi padre y a mi madre. Y como dijo Marcel Marceau:…….. Daniel C..

(6) vi. AGRADECIMIENTO En primer lugar quiero agradecer a Dios y a la Madre Dolorosa por fortalecerme en los momentos más difíciles de mi vida tanto personal como académica.. También un agradecimiento total a mis padres Juan Villa y María Tuquinga por inculcarme esos grandes valores éticos y morales que guían mi camino.. A mis hermanos y a toda mi valiosa familia que siempre me han brindado su apoyo incondicional.. Al Ing. Oswaldo Buitrón y al Ing. Miguel Villacrés que nos han ayudado y guiado en todo este proceso de la tesis como director y codirector respectivamente.. Y a todos mis amigos y compañeros que he ganado en esta etapa universitaria aquí en la EPN.. Mauro Javier Villa T..

(7) vii. DEDICATORIA. Este proyecto de titulación lo dedico a mis padres Juan Villa Y María Tuquinga porque han sido para mí un gran ejemplo de lucha y trabajo, los dos han progresado con sacrificio y perseverancia, dándonos a mí y a mis hermanos el privilegio de tener una educación digna y de calidad.. Mauro Javier Villa T..

(8) viii. CONTENIDO RESUMEN………………………………………………………………...xiii PRESENTACIÓN………………………………………………………….xv. CAPÍTULO 1.- INTRODUCCION………………………………1 1.1 CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS………………………………………1 1.1.1. MÉTODOS DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS/. EVALUACIONES NO DESTRUCTIVAS…………………………………….2 1.1.1.1 Prueba visual-óptica………………………………………………2 1.1.1.2. Prueba. de. líquidos. penetrantes…………………………………..3 1.1.1.3 Partículas magnéticas……………………………………………..3 1.1.1.4 Radiografía………………………………………………………...3 1.1.1.5 Pruebas ultrasónicas……………………………………………...4 1.1.1.6 Pruebas de emisión acústica……………………………………...4 1.1.1.7 Pruebas de fuga…………………………………………………...4 1.1.1.8 Prueba electromagnética o de corrientes de Eddy……………...4. 1.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES OBJETO DE PRUEBA EN EL LABORATORIO…………………….6 1.2.1 TIPOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS…………………………….6 1.2.1.1 Material diamagnético…………………………………………….7 1.2.1.2 Material paramagnético…………………………………………...7 1.2.1.3 Material ferromagnético…………………………………………..7 1.2.1.4 Material antiferromagnético……………………………………...8 1.2.1.5 Material ferrimagnético…………………………………………...9 1.2.1.6 Material superparamagnético…………………………………….9 1.2.1.7 Ferritas……………………………………………………………10 1.2.2 TIPOS DE MATERIALES METÁLICOS……………………………..10 1.2.2.1 Materiales ferrosos……………………………………………….10.

(9) ix. 1.2.2.1.1 Aceros………………………………………………………… 11 1.2.2.1.2 Hierros fundidos o fundiciones……………………………..13 1.2.2.2 Materiales no ferrosos……………………………………………15 1.2.2.2.1 Metales no ferrosos pesados………………………………...16 1.2.2.2.2 Metales no ferrosos ligeros………………………………….18 1.2.2.2.3 Metales no ferrosos ultraligeros……………………………19. 1.3 PRINCIPIOS FÍSICOS DEL MÉTODO DE CORRIENTES INDUCIDAS…………………………………………..19 1.3.1 PROPIEDADES DE LA ELECTRICIDAD…………………………...22 1.3.2 FLUJO DE CORRIENTE Y LA LEY DE OHM……………………...23 1.3.3 INDUCCIÓN E INDUCTANCIA………………………………………25 1.3.4 AUTO-INDUCTANCIA Y REACTANCIA INDUCTIVA…………...27 1.3.5 INDUCTANCIA MUTUA (La Base de la Inspección por corrientes de Eddy)………………………………………………………..30 1.3.6 CIRCUITO Y FASE……………………………………………………..34 1.3.7 IMPEDANCIA…………………………………………………………...36 1.3.8 PROFUNDIDAD DE PENETRACIÓN Y DENSIDAD DE CORRIENTE………………………………………………..39 1.3.9 RETRASO DE FASE……………………………………………………43. 1.4 CONCEPTOS FUNDAMENTALES DEL PROTOCOLO ZIGBEE…………………………………………46 1.4.1 IEEE 802.15.4 CAPA FÍSICA (PHY)…………………………………..47 1.4.1.1 Canales IEEE 802.15.4…………………………………………..48 1.4.1.2 Modulación……………………………………………………….48 1.4.1.3 Sensibilidad y potencia…………………………………………..49 1.4.2 IEEE 802.15.4 CAPA MAC……………………………………………..50 1.4.2.1 Capa de enlace de datos…………………………………………50 1.4.2.1.1 Control de enlaces lógicos………………………………….54 1.4.2.2 Redes tipo estrella y peer to peer……………………………….54 1.4.3 ZigBEE…………………………………………………………………....55. CAPÍTULO 2.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN.

(10) x. DE LAS ETAPAS DEL SISTEMA…………………………….57 2.1 ARQUITECTURA DEL SISTEMA………………………………57 2.2 GENERADOR DE SEÑALES……………………………………..58 2.2.1 DESCRIPCIÓN DE LA FUNCIÓN DE LOS PINES DEL AD9834…………………………………………………………...59 2.2.2 DESCRIPCIÓN DE LA INTERFAZ DE COMUNICACIÓN……….62 2.2.3 ACONDICIONAMIENTO DEL GENERADOR DE SEÑALES…………………………………………………………………..63. 2.3 ACONDICIONAMIENTO DE LAS VARIABLES DE LA SONDA…………………………………………66 2.3.1 ADQUISICIÓN DE LAS VARIABLES DE LA SONDA……………...67 2.3.2 ACONDICIONAMIENTO DE VARIABLES PARA DETERMINAR LA IMPEDANCIA…………………………………………71 2.3.2.1 Circuito rectificador de precisión de onda completa…………..71 2.3.2.2 Seguidor y retenedor de picos positivos………………………...75 2.3.2.3 Acondicionamiento de señales para conexión con el sistema microcontrolado………………………………………….79 2.3.3 ACONDICIONAMIENTO DE VARIABLES PARA DETERMINAR EL ÁNGULO DE FASE…………………………………….83 2.3.3.1 Filtro Butterworth pasa bajos…………………………………..85 2.3.3.2 Acondicionamiento de la señal multiplicada…………………...88. 2.4 SISTEMA MICROCONTROLADO……………………………...89 2.4.1 DIAGRAMA DE PINES…………………………………………………92. 2.5 FUENTE DE ALIMENTACIÓN…………………………………..93. CAPÍTULO 3.- PROGRAMACIÓN Y ENLACE DE MÓDULOS………………………………………95 3.1 CONFIGURACIÓN Y PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR DEL MÓDULO DEL EQUIPO………………….95 3.1.1 PROGRAMA PRINCIPAL………………………..……………….……95.

(11) xi. 3.2 CONFIGURACIÓN Y PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR DEL MÓDULO DE COMUNICACIÓN PARA ENLAZAR EL EQUIPO A UN COMPUTADOR VÍA ZIGBEE….100 3.2.1 CIRCUITO BÁSICO PARA EL XBEE……………………………….101 3.2.2 MODOS DE OPERACIÓN…………………………………………….102 3.2.3 CONFIGURACIÓN PUNTO A PUNTO……………………………..104. CAPÍTULO 4.- DESARROLLO DE LA HMI PARA MONITOREO Y CONTROL…………………………107 4.1 PROGRAMACIÓN DE LA INTERFAZ HMI QUE CORRERÁ EN LA COMPUTADORA……………………...107 4.1.1 SOFTWARE DE DESARROLLO DE SISTEMAS NI LABVIEW…………………………………………………...107 4.1.1.1 Principales características……………………………………...108 4.1.1.2 Aplicaciones……………………………………………………..109 4.1.1.3 Requerimientos del sistema…………………………………….110 4.1.2 INTERFAZ DEL USUARIO…………………………………………..115 4.1.2.1 Interfaz de configuración………………………………………115 4.1.2.2 Interfaz de gráficas…………………………………………….116. 4.2 CONFIGURACIONES DE LA COMUNICACIÓN ENTRE LA COMPUTADORA Y EL MÓDULO DE COMUNICACIÓN DISEÑADO……………………………………..118. CAPÍTULO 5.- PRUEBAS Y RESULTADOS……………….120 5.1 PRUEBA DE CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA………………120 5.1.1 PATRONES DE CONDUCTIVIDAD…………………………………120 5.1.2 RESULTADOS DE LA CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA………...121 5.1.2.1 Baja frecuencia 50 KHz………………………………………...122 5.1.2.2 Baja frecuencia 70 KHz………………………………………...126 5.1.2.3 Baja frecuencia 100 KHz……………………………………….130.

(12) xii. 5.1.2.4 Baja frecuencia 150 KHz……………………………………….134 5.1.2.5 Frecuencia Media 200 KHz…………………………………….138 5.1.2.6 Frecuencia Media 300 KHz…………………………………….142 5.1.2.7 Frecuencia Media 340 KHz…………………………………….146 5.1.2.8 Frecuencia Media 370 KHz…………………………………….150 5.1.2.9 Alta frecuencia 400 KHz………………………………………..154 5.1.2.10 Alta frecuencia 440 KHz………………………………………158 5.1.2.11 Alta frecuencia 470 KHz………………………………………162 5.1.2.12 Alta frecuencia 500 KHz………………………………………166. 5.2 PRUEBA DE DISCONTINUIDADES…………………………...173 5.2.1 RESULTADOS DE DETECCIÓN DE DISCONTINUIDADES…….174 5.2.1.1 Superficie Lisa…………………………………………………..174 5.2.1.2 Fisura de 1 mm…………………………………………………175 5.2.1.3 Fisura de 2 mm…………………………………………………176 5.2.1.4 Fisura de 3 mm…………………………………………………177. CAPÍTULO 6.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……………………………………….180 6.1 CONCLUSIONES…………………………………………………180 6.2 RECOMENDACIONES…………………………………………..182. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………...184. ANEXOS………………………………………………………...185.

(13) xiii. RESUMEN En el presente proyecto de titulación se presenta el diseño e implementación de un equipo, de corrientes inducidas, que permite al usuario visualizar el plano de impedancia y el porcentaje de conductividad, para evaluación de materiales, dentro de un amplio rango de frecuencias (50 KHz a 500 KHZ).. En el capítulo 1 se explican los conceptos fundamentales y se da una breve descripción de los ensayos no destructivos, y de los materiales de prueba que se analizan en el laboratorio, para después profundizar en el método de corrientes inducidas y en los principios físicos en los que se basa dicho método.. Además se hace referencia al protocolo Zigbee, con el que se trabajará para la comunicación entre el equipo y un computador.. En el capítulo 2 se describen las etapas del sistema y los diseños de circuitos de acondicionamiento para el manejo de señales y. conexión al sistema. microcontrolado.. El capítulo 3. explica la configuración y programación del microcontrolador,. utilizado para esta aplicación, y del módulo de comunicación para enlazar el equipo a un computador vía Zigbee.. En el capítulo 4 se describe el desarrollo de la interfaz HMI, de Labview, para el monitoreo y control, además de la configuración del computador para enlazarse con el equipo diseñado.. El capítulo 5 presenta las pruebas que se realizaron con el equipo de corrientes inducidas (Pruebas que serán realizadas en las prácticas del Laboratorio de Ensayos No Destructivos de la EPN) y el análisis de los resultados obtenidos..

(14) xiv. El proyecto no estaría completo sin las conclusiones y recomendaciones, por lo cual estas se presentan conjuntamente en el capítulo 6.. Al final del escrito se encuentran los anexos, que contienen el manual de usuario del equipo de corrientes inducidas y las hojas de datos de los principales elementos utilizados para su implementación..

(15) xv. PRESENTACIÓN Los ensayos no destructivos son un tipo de prueba practicada a un material que no altera de forma permanente sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales. Los ensayos no destructivos implican un “daño” imperceptible o nulo. Los diferentes métodos de ensayos no destructivos se basan en la aplicación de fenómenos físicos tales como ondas magnéticas, elásticas, emisión de. partículas subatómicas, absorción, etc. para caracterizar y localizar. condiciones y fallas en materiales.. En el presente proyecto de titulación, se realiza el diseño y posterior implementación de un equipo de corrientes inducidas, que será utilizado en el Laboratorio de Ensayos No Destructivos de la Facultad de Ingeniería Mecánica, para que los estudiantes puedan realizar ensayos en los materiales con un instrumento que cumpla con las funciones de los equipos industriales, como son mostrar en un gráfico el plano de impedancia del material, porcentaje de conductividad y que el usuario pueda seleccionar la frecuencia de prueba entre 50 KHz y 500 KHz.. Además se desarrolla una interfaz utilizando Labview, que se comunica vía Zigbee al equipo, para permitir al usuario ver el resultado de las pruebas a distancia y permitiéndole guardar los gráficos y datos para su posterior análisis..

(16) 1. CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN. 1.1 CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS1 El campo de ensayos no destructivos (END o NDT siglas en inglés) es muy amplio, interdisciplinario que desempeña un papel crítico para asegurar que los componentes estructurales y sistemas cumplan su función de forma fiable y rentable, en la Figura 1.1, se puede observar la clasificación de los ensayos no destructivos. Los técnicos e ingenieros de ensayos no destructivos definen y aplican pruebas que localizan y caracterizan las condiciones de los materiales y las fallas que podrían causar las colisiones de aviones, las fallas de reactores, los descarrilamientos de trenes, las explosiones de las tuberías, y una variedad de menos visibles, pero igualmente preocupantes problemas. Estas pruebas se realizan de una manera que no afecta a la utilidad futura o las propiedades del objeto o material. En otras palabras, END permite que las piezas y los materiales sean inspeccionados y medidos sin dañarlos. Debido a que permite la inspección sin interferir con el uso final del producto, END ofrece un excelente equilibrio entre el control de calidad y costo-efectividad. En términos generales, los ensayos no destructivos se aplican a las inspecciones industriales.. La evaluación no destructiva (NDE siglas en inglés) es un término que se utiliza a menudo de manera intercambiable con END. Sin embargo, técnicamente, NDE se utiliza para describir las mediciones que son más cuantitativas en la naturaleza. Por ejemplo, un método NDE no sólo localiza un defecto, sino que también se utiliza para medir algo sobre ese defecto tal como su tamaño, forma y orientación. Las NDE se pueden utilizar para determinar las propiedades del material tal como elasticidad, conductividad, y otras características físicas.. 1. Ref. [1].

(17) 2. Figura 1.1. Clasificación de los END según su utilidad. 1.1.1 MÉTODOS DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS/EVALUACIONES NO DESTRUCTIVAS2. El número de métodos de END que pueden ser utilizados para inspeccionar componentes y hacer mediciones es grande y continúa creciendo. Los investigadores continúan encontrando nuevas formas de aplicar la física y otras disciplinas científicas para desarrollar mejores métodos de ensayos no destructivos. Sin embargo, hay seis métodos de END que se utilizan con mayor frecuencia. Estos métodos son la inspección visual, pruebas de penetración, las pruebas de partículas magnéticas, pruebas electromagnéticas o de corrientes de Foucault, radiografías y pruebas de ultrasonido. Estos métodos y otros pocos se describen brevemente a continuación.. 1.1.1.1 Prueba visual-óptica. La inspección visual es el método más común, implica la experiencia de un inspector para buscar defectos. Permite detectar salpicaduras, existencia de cenizas, distorsiones por excesivo calentamiento, grietas, etc.. El inspector también puede utilizar herramientas especiales tales como lupas, espejos, linternas, etc., para acceder y examinar más de cerca el área de estudio. 2. Ref. [1] y [2].

(18) 3. 1.1.1.2 Prueba de líquidos penetrantes. Los objetos de prueba están recubiertos con una solución de color visible o fluorescente. El colorante en exceso se retira de la superficie, y un revelador es aplicado. El revelador actúa como papel secante, el tinte penetrante es extraído de las imperfecciones abiertas a la superficie, destacando fácilmente, ya sea por la aparición de vivos colores como después de aplicar luz UV en caso de tintes fluorescentes. Este método sirve en cualquier material.. 1.1.1.3 Partículas magnéticas. Este método consiste en la inducción de un campo magnético en un material ferromagnético y luego espolvorear la superficie con partículas de hierro (ya sea en seco o en suspensión en líquido). Las imperfecciones superficiales modifican el campo y las partículas de hierro se concentran cerca de las imperfecciones, vista previa de una indicación visual de la falla.. Este método sólo es factible en materiales ferromagnéticos con defectos superficiales perpendiculares a las líneas de campo.. 1.1.1.4 Radiografía. La radiografía implica el uso de rayos gamma o X (muy penetrantes) para examinar imperfecciones internas de las partes y productos. Un generador de rayos X o isótopos radiactivos se utiliza como una fuente de radiación. La radiación se dirige a través de una parte y produce una “imagen negativa” en una película o film. La radiografía resultante muestra la solidez interna de los materiales. Las posibles imperfecciones se indican como los cambios de densidad en la película, de la misma manera como un médico de rayos X muestra los huesos rotos..

(19) 4. 1.1.1.5 Pruebas ultrasónicas. La prueba de ultrasonidos utiliza la transmisión de ondas acústicas de alta frecuencia en un material para detectar imperfecciones o para localizar los cambios en las propiedades del material. La técnica más comúnmente usada es la prueba ultrasónica de pulso-eco, en el que el sonido se introduce en un objeto de prueba y los reflejos (ecos) se devuelven a un receptor desde las imperfecciones internas o desde las superficies geométricas de la pieza. Esta prueba sirve para cualquier material. 1.1.1.6 Pruebas de emisión acústica3. Cuando un material sólido es sometido a estrés las imperfecciones en el material emiten cortas ráfagas de energía acústica llamadas "emisiones". Al igual que en las pruebas de ultrasonidos, las emisiones acústicas pueden ser detectados por receptores especiales. Las fuentes de emisiones pueden ser evaluadas a través del estudio de su intensidad, frecuencia y ubicación. 1.1.1.7 Pruebas de fuga4. La prueba de fuga permite, en un ambiente de producción, detectar y localizar fugas en recipientes, contenedores o piezas que deban mantener su contenido a presión. Las fugas pueden ser detectadas mediante el uso de dispositivos electrónicos de escucha, mediciones de presión manométrica, técnicas de líquidos y gas penetrantes, y / o la prueba sencilla de pompa de jabón.. 1.1.1.8 Prueba electromagnética o de corrientes de Eddy. Corrientes eléctricas son generadas (inducidas) en un material conductor por un campo magnético alterno. Las corrientes eléctricas se llaman corrientes de Eddy porque su flujo en círculos están, en y por debajo, sólo de la superficie del 3 4. Ref. [1] y http://www.es.sgs.com/es/acoustic-emission-testing?serviceId=10159629&lobId=20009 http://www.induma.biz/boletines/abril08.pdf.

(20) 5. material. Las interrupciones en el flujo de las corrientes inducidas, causada por las imperfecciones, los cambios dimensionales, o cambios en el material conductor y propiedades de permeabilidad, pueden ser detectadas con el equipo apropiado. Se utiliza esta prueba en materiales conductores.. El presente trabajo hará énfasis en éste método para la realización de un equipo de corrientes inducidas que permita la visualización del plano de impedancia para análisis de materiales, lo cual se justifica en la comparación de las pruebas que se presenta en la Tabla 1.1. Tabla 1.1. Comparación de los END.

(21) 6. 1.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES OBJETO DE PRUEBA EN EL LABORATORIO 1.2.1 TIPOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS5. La diferencia de las propiedades magnéticas de los diferentes materiales se debe a la estructura atómica de los materiales, lo que determina la naturaleza y magnitud de los momentos atómicos magnéticos, según su comportamiento por un campo magnético inducido, al respecto en la Tabla 1.2 se presenta la clasificación de los materiales. Tabla 1.2. Materiales Magnéticos6 Tipo de material No magnético. Características No afecta el paso de las líneas de Campo magnético. Ejemplo: el vacío. Material débilmente magnético. Si se sitúa una barra magnética cerca de. Diamagnético. él, ésta lo repele. Ejemplo: bismuto (Bi), plata (Ag), plomo (Pb), agua.. Paramagnético. Presenta un magnetismo significativo. Atraído por la barra magnética. Ejemplo: aire, aluminio (Al), paladio (Pd), magneto molecular. Magnético por excelencia o fuertemente magnético. Atraído por la barra magnética.. Ferromagnético. Paramagnético por encima de la temperatura de Curie (La temperatura de Curie del hierro metálico es aproximadamente unos 770 °C). Ejemplo: hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), acero suave.. Antiferromagnético. Ferrimagnético. Superparamagnético. Ferritas. No magnético aún bajo acción de un campo magnético inducido. Ejemplo: óxido de manganeso (MnO2). Menor grado magnético que los materiales ferromagnéticos. Ejemplo: Ferritas. Materiales ferromagnéticos suspendidos en una matriz dieléctrica. Ejemplo: materiales utilizados en cintas de audio y video. Ferromagnético de baja conductividad eléctrica. Ejemplo: utilizado como núcleo inductores para aplicaciones de C.A.. 5. Ref. [3]. 6. http://es.wikipedia.org/wiki/Magnetismo.

(22) 7. 1.2.1.1 Material diamagnético. Su origen está en la circulación de los pares electrónicos inducidos por el campo, que se oponen a él y que tienden a desplazar la muestra fuera del campo. Experimentalmente, se verifica que los materiales diamagnéticos tienen una permeabilidad. magnética inferior. a. la. unidad,. y. una susceptibilidad. magnética negativa, prácticamente independiente de la temperatura, y del propio campo.. 1.2.1.2 Material paramagnético. El paramagnetismo es. la. tendencia. de. los momentos. magnéticos libres. (espín u orbitales) a alinearse paralelamente a un campo magnético. Cuando no existe ningún campo magnético externo, estos momentos magnéticos están orientados al azar. En presencia de un campo magnético externo tienden a alinearse paralelamente al campo, pero esta alineación está contrarrestada por la tendencia que tienen los momentos a orientarse aleatoriamente debido al movimiento térmico. Este alineamiento de los dipolos magnéticos atómicos con un campo externo tiende a fortalecerlo. Esto se describe por una permeabilidad magnética superior a la unidad, o, lo que es lo mismo, una susceptibilidad magnética positiva y muy pequeña.. 1.2.1.3 Material ferromagnético. Diamagnetismo y paramagnetismo son características de los átomos aislados. Mientras que el ferromagnetismo es un comportamiento que requiere de la cooperación de muchos átomos en un sólido, es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido.. Al someter un material ferromagnético a un campo magnético intenso, los dominios tienden a alinearse con éste, de forma que aquellos dominios en los que los dipolos están orientados con el mismo sentido y dirección que el campo.

(23) 8. magnético inductor aumentan su tamaño. Al eliminar el campo, el dominio permanece durante cierto tiempo, dicha descripción se puede observar de forma gráfica en la Figura 1.2.. Figura 1.2. Orientación de Dominios. 1.2.1.4 Material antiferromagnético. El antiferromagnetismo es el ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección pero en sentido inverso (por pares o una subred frente a otra), esto se representa en la Figura 1.3. La interacción antiferromagnética es la interacción magnética que hace que los momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y en sentido inverso, cancelándolos si tienen el mismo valor absoluto, o reduciéndolos si son distintos.. Ha. de. extenderse. por. todo. un. sólido. para. alcanzar. el. antiferromagnetismo.. Las interacciones antiferromagnéticas pueden producir momentos magnéticos grandes, incluso imanación. El ferromagnetismo ocurre en sistemas en los que una interacción antiferromagnética entre momentos magnéticos de diferente magnitud implica un momento magnético resultante grande.. Figura 1.3. Alineamiento de los momentos Magnéticos7. 7. http://es.wikipedia.org/wiki/Antiferromagnetismo.

(24) 9. 1.2.1.5 Material ferrimagnético. El ferrimagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de modo que no todos los momentos magnéticos de una muestra están alineados en la misma dirección y sentido, esto se representa gráficamente en la Figura 1.4. Algunos de ellos están opuestos y se anulan entre sí. Sin embargo estos momentos magnéticos que se anulan están distribuidos aleatoriamente y no consiguen anular por completo la magnetización espontánea.. El ferrimagnetismo también presenta, como el ferromagnetismo, magnetizaciones de saturación (punto en el que ya no aumenta la magnetización aunque aumentemos la fuerza del campo), aunque no en valores tan altos. Otra similitud es que por encima de la temperatura de Curie se pierde el ferrimagnetismo y el material pasa a ser paramagnético.. Figura 1.4. Esquema de ordenamiento ferrimagnético8. 1.2.1.6 Material superparamagnético. El superparamagnetismo es. un. comportamiento. magnético. con. algunas. características del ferromagnetismo y otras del paramagnetismo. Su origen se debe a partículas mesoscópicas, con interacciones ferromagnéticas lo bastante intensas en su interior como para lograr un ordenamiento magnético por debajo 8. http://es.wikipedia.org/wiki/Ferrimagnetismo.

(25) 10. de cierta temperatura crítica, pero con interacciones muy débiles entre ellas, con lo que el ordenamiento magnético no puede extenderse a todo el sistema. Así, se comportan. como. semejanza. de. paramagnetos los. de momento. ferromagnetos,. pueden. magnético muy exhibir ciclos. de. grande.. A. histéresis. magnéticos o señal a.c. en la susceptibilidad, pero sólo por encima de cierta frecuencia crítica a partir de la cual el momento magnético inducido no es capaz de seguir la dirección del campo aplicado.. 1.2.1.7 Ferritas La ferrita o hierro-α (alfa), en metalurgia, es una de las estructuras cristalinas del hierro. Cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y tiene propiedades magnéticas.. Las ferritas son materiales cerámicos ferromagnéticos (sólo la alfa), compuestos por hierro, boro y bario, estroncio o molibdeno.. Las. ferritas. tienen. una. alta. permeabilidad magnética, lo cual les permite almacenar campos magnéticos con más fuerza que el hierro. Se fabrican núcleos para transformadores, inductores/bobinas, ya que en ellos queda eliminadas las corrientes de Eddy, y otros elementos eléctricos o electrónicos.. 1.2.2 TIPOS DE MATERIALES METÁLICOS. Debido a que los materiales de END para corrientes inducidas son metales, se los divide en dos grupos: materiales ferrosos y no ferrosos, ya que el metal más empleado en la actualidad es el hierro. 1.2.2.1 Materiales ferrosos9. Los metales ferrosos son aquellos que están basados en el hierro, entre los de mayor importancia son el hierro y el carbono. Estas aleaciones se dividen en dos grupos: los aceros y las fundiciones de hierro. 9. http://sifunpro.tripod.com/metal.htm y http://www.textoscientificos.com/mineria/materiales-ferrosos.

(26) 11. 1.2.2.1.1 Aceros. Los aceros son aleaciones de hierro y carbono que pueden contener cantidades apreciables de otros elementos. Las propiedades mecánicas de los aceros son sensibles al porcentaje de carbono, el cual es normalmente menor al 1%.. Algunos de los aceros más comunes se clasifican de acuerdo a su concentración de carbono, así se tiene: . Aceros de bajo carbono -. Son los que se producen comercialmente en mayor cantidad.. -. Generalmente contienen menos del 0.25% de carbono.. -. No responden a tratamientos térmicos que forman martensita.. -. Su incremento en la resistencia puede lograrse por medio de trabajo en frío.. -. Su microestructura consiste de ferrita y perlita.. -. Son aleaciones relativamente suaves y débiles pero con una ductilidad y tenacidad sobresalientes.. -. Aplicaciones. típicas:. componentes. de. automóviles,. perfiles. estructurales, láminas, tuberías. . Aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA) -. Es un subgrupo de los aceros al carbono. Poseen bajo carbono.. -. Contienen elementos de aleación como cobre, vanadio, níquel y molibdeno en concentraciones combinadas de 10% o menos.. . -. Poseen mayor resistencia que los aceros al carbono.. -. Muchos de ellos pueden ser endurecidos por tratamiento térmico.. Aceros de medio carbono -. Tienen concentraciones de carbono entre 0.25 y 0.60.. -. Pueden ser tratados térmicamente por austenizado, templado y revenido. Normalmente se utilizan en la condición revenida..

(27) 12. -. Los aceros no aleados (al carbono) tienen baja capacidad de endurecimiento y sólo pueden tratarse térmicamente en secciones delgadas y con elevada rapidez de enfriamiento.. -. Al añadir cromo, níquel y molibdeno se mejora la capacidad de estas aleaciones de ser tratadas térmicamente. Estas aleaciones tienen mayor resistencia que los aceros de bajo carbono pero sacrificando ductilidad y tenacidad.. -. Se utilizan en aplicaciones que requieren la combinación de elevada resistencia, resistencia al desgaste y tenacidad.. . Aceros de alto carbono -. Su contenido de carbono varía entre 0.6 y 1.4%.. -. Son los aceros más duros, más resistentes y menos dúctiles de los aceros al carbono.. -. Casi siempre se utilizan revenidos, por ello tienen una resistencia al desgaste especial y son capaces de mantener un filo cortante.. -. Los aceros para herramienta (tool steels) caen dentro de la categoría de aceros de alto carbono. Contienen cromo, vanadio, tungsteno y molibdeno. Esos elementos de aleación se combinan con el carbono para formar carburos muy duros y resistentes al desgaste. Se utilizan para fabricar herramientas de corte.. . Aceros inoxidables -. Poseen una resistencia elevada a la corrosión en una variedad de entornos, especialmente el medio ambiente.. -. El elemento principal de aleación es el cromo (se requiere de al menos 11% de cromo en el acero). La resistencia a la corrosión puede mejorarse al añadir níquel y molibdeno.. -. Se dividen en tres clases: martensítico, ferrítico y austenítico.. -. Los aceros inoxidables austeníticos y ferríticos sólo pueden endurecerse por trabajo en frío..

(28) 13. -. Los aceros inoxidables austeníticos son los que tienen mayor resistencia a la corrosión debido a su contenido elevado de cromo. son no-magnéticos.. -. Los aceros inoxidables martensíticos y ferríticos son magnéticos.. 1.2.2.1.2 Hierros fundidos o fundiciones. Las fundiciones son aleaciones ferrosas con contenidos de carbono mayores al 2.1%. La mayoría de fundiciones tienen entre 3 y 4.5% C. Estas aleaciones pasan al estado líquido entre 1150º y 1300º C. La mayoría de hierros fundidos posee grafito en su microestructura. Las fundiciones se clasifican de la siguiente manera: . Hierro gris -. Contiene entre 2.5 y 4% C y 1 a 3% de Si.. -. El grafito existe en forma de hojuelas rodeadas por una matriz de ferrita o perlita. Debido a las hojuelas de grafito, la superficie de fractura de estos materiales toma un color grisáceo, y de ahí su nombre.. -. Mecánicamente, el hierro gris es más débil y frágil en tensión que en compresión. Esto es a consecuencia de su microestructura ya que los extremos de la hojuela de grafito son afilados y puntiagudos, y sirven como puntos de concentración del esfuerzo cuando una fuerza externa en tensión es aplicada. La resistencia y ductilidad son mucho mayores bajo cargas en compresión.. -. Estas. aleaciones. son. muy efectivas. disipando. energía. de. vibraciones. Por esta razón, las estructuras de base de maquinaria y equipo pesado se fabrican con este material. -. El hierro gris posee una elevada resistencia al desgaste. Además, en estado líquido poseen una fluidez elevada lo cual permite fabricar piezas con geometrías.. -. El gris es la aleación más barata de todas las aleaciones metálicas..

(29) 14. . Hierro nodular o dúctil -. Si al hierro gris se le añaden pequeñas cantidades de magnesio y/o cerio, se produce en el material una microestructura y propiedades mecánicas muy diferentes a las del hierro gris. El grafito siempre se forma, pero no como hojuelas sino como nódulos o partículas esféricas. La aleación que resulta se llama hierro nodular o dúctil.. -. La fase que rodea a los nódulos puede ser perlita o ferrita, dependiendo del tratamiento térmico.. -. Las piezas fundidas fabricadas con esta aleación son mucho más resistentes y dúctiles que las fabricadas con el hierro gris.. . Hierro blanco y Hierro maleable -. Para hierros fundidos bajos en silicio (menos del 1%) y velocidades de enfriamiento elevadas, la mayoría del carbono en la aleación se forma como cementita en vez de grafito. La superficie de fractura de este material tiene un color blancuzco y de ahí su nombre fundición blanca.. -. Debido a la gran cantidad de cementita que poseen, las fundiciones blancas son extremadamente duras pero también muy frágiles, al grado que prácticamente son imposibles de maquinar. Su uso se limita a aplicaciones que requieren una superficie muy dura y resistente al desgaste y sin un alto grado de ductilidad.. -. El hierro blanco se utiliza como material intermedio para la fabricación del hierro maleable.. -. Cuando se calienta el hierro blanco a temperaturas entre 800 y 900º C por un período de tiempo prolongado y en una atmósfera neutra (para evitar la oxidación), la cementita se descompone en grafito, el cual existe en la forma de clusters o rosetas rodeados por una matriz de ferrita o perlita.. -. La forma del grafito en el hierro maleable produce una elevada resistencia y ductilidad apreciable..

(30) 15. 1.2.2.2 Materiales no ferrosos10. Los metales no ferrosos son aquellos que incluyen elementos metálicos y aleaciones que no se basan en el hierro, su utilización no es tan masiva como los productos férreos y aunque algunos metales no ferrosos no pueden igualar la resistencia de los aceros, tienen una gran importancia en la industria, por propiedades como:. -. El bajo peso específico.. -. La resistencia a la oxidación en condiciones ambientales normales.. -. La fácil manipulación y mecanizado.. Las aleaciones no ferrosas tienen gran cantidad de aplicaciones como: fabricación de monedas, filamentos de bombillas, material para soldadura de componentes electrónicos, recubrimientos, etc.. En general, los metales no ferrosos son blandos y tienen poca resistencia mecánica. Para mejorar sus propiedades se alean con otros metales. Debido a su densidad se pueden clasificar como se ilustra en la Tabla 1.3: Tabla 1.3. Clasificación de Materiales No Ferrosos TIPO. Características. Ejemplo de metal no férrico. Pesados. Su densidad es igual o mayor de 5 kg/dm. 3. Estaño, cobre, cinc, plomo, cromo, níquel, wolframio y cobalto.. Ligeros. Su densidad está. Aluminio y titanio.. comprendida entre 2 y 5 kg/dm Ultraligeros. 3. Su densidad es menor de 2 kg/dm. 10. Magnesio y berilio. 3. http://sifunpro.tripod.com/metal.htm y metalesnoferrosos.pdf.

(31) 16. 1.2.2.2.1 Metales no ferrosos pesados . Estaño. Es un metal bastante escaso en la naturaleza. Se lo encuentra concentrado en minas, aunque su cantidad es bastante baja (del orden del 0,02%).. Propiedades. . -. Densidad: 7,28 kg/dm3.. -. Punto de fusión: 231 °C.. -. Resistividad: 0,115 W·mm2/m.. -. Resistencia a la tracción: 5 kg/mm2.. -. Alargamiento: 40%.. Cobre. El cobre es uno de los metales más conocidos por los seres humanos, en la antigüedad se podía encontrar el elemento en forma pura, pero ahora es difícil encontrarlo en depósitos naturales, ahora se extrae principalmente de sulfuros.. La adición de otros metales no ferrosos al cobre mejora sus propiedades mecánicas y de resistencia a la oxidación, aunque empeora ligeramente su conductividad eléctrica y calorífica. . Cinc. El cinc se destaca por ser un material con un punto de fusión relativamente bajo lo cual lo hace atractivo como un metal de fundición y al igual que el Níquel sirve de recubrimiento para otros metales para evitar corrosión, generalmente se utiliza el termino galvanizado cuando se aplica cinc sobre otro material.. Propiedades -. Densidad: 7,14 kg/dm3. -. Punto de fusión: 419°C. -. Resistividad: 0,057 W·mm2/m. -. Resistencia a la tracción:.

(32) 17. . -. Piezas moldeadas: 3 kg/mm2.. -. Piezas forjadas: 20 kg/mm2.. -. Alargamiento: 20%.. Plomo. Se empieza a utilizar, aproximadamente, en el año 5000 A. C., adquiriendo gran importancia durante el periodo romano y a partir del siglo xix.. Propiedades:. . -. Densidad: 11,34 kg/dm3.. -. Punto de fusión: 327 °C.. -. Resistividad; 0,22 W·mm2/m.. -. Resistencia a la tracción: 2 kg/mm2.. Cromo. Propiedades:. . -. Densidad: 6,8 kg/dm3.. -. Punto de fusión: 1900°C.. -. Resistividad: 1,1 W·mm2/m.. -. Tiene un color grisáceo acerado.. -. Es muy duro y tiene una gran acritud.. -. Resiste muy bien la oxidación y corrosión.. Níquel. Este elemento es similar al hierro en varios aspectos: es magnético y su módulo de elasticidad es prácticamente el mismo para el hierro y el acero. Difiere del hierro en que es más resistente a la corrosión y las propiedades de sus aleaciones a altas temperaturas son generalmente superiores. Debido a sus propiedades similares al hierro y su alta resistencia a la corrosión, se utiliza como elemento de aleación para el acero, para obtener acero inoxidable por ejemplo, y también se aplica como material de chapado sobre otros materiales.. Propiedades: -. Densidad: 8,85 kg/dm3..

(33) 18. . -. Punto de fusión: 1450°C.. -. Resistividad: 0,11 W·mm2/m.. Wolframio. Propiedades:. . -. Densidad: 19 kg/dm3.. -. Punto de fusión: 3370°C.. -. Resistividad: 0.056·W·mm2/m. Cobalto. Propiedades: -. Densidad: 8,6 kg/dm3.. -. Punto de fusión: 1490°C.. -. Resistividad: 0,063 W·mm2/m.. -. Tiene propiedades análogas al níquel, pero no es magnético.. 1.2.2.2.2 Metales no ferrosos ligeros . Aluminio. Propiedades:. . -. Densidad: 2,7 kg/dm3. -. Punto de fusión: 660 °C.. -. Resistividad: 0,026 W·mm2/m.. -. Resistencia a la tracción: 10 - 20Kg/mm2. -. Alargamiento: 50%. Titanio. Este material es medianamente abundante en la naturaleza, pero su importancia ha crecido de década en década debido a sus aplicaciones aeroespaciales, en la cual se explota su peso ligero y su buena razón de resistencia-peso.. El coeficiente de expansión térmica del titanio es relativamente bajo comparado con otros materiales, siendo que muestra ser más rígido y fuerte que el.

(34) 19. aluminio; el titanio puro es reactivo, lo cual presenta problemas para su procesamiento, especialmente en su estado fundido. Propiedades: -. Densidad: 4,45 kg/dm3. -. Punto de fusión: 1800 °C.. -. Resistividad: 0,8 W·mm2/m.. -. Resistencia a la tracción: 100Kg/mm2. -. Alargamiento: 5%. 1.2.2.2.3 Metales no ferrosos ultraligeros . Magnesio. Propiedades: -. Densidad: 1,74 kg/dm3. -. Punto de fusión: 650 °C.. -. Resistividad: 0,8 W·mm2/m.. -. Resistencia a la tracción: 18Kg/mm2. -. Alargamiento: 5%. 1.3 PRINCIPIOS FÍSICOS DEL MÉTODO DE CORRIENTES INDUCIDAS11 La inspección por corrientes inducidas es uno de varios métodos de END que utilizan el principio de "electromagnetismo" como base para la realización de los exámenes.. Las corrientes de Eddy o Foucault se crean a través de un proceso llamado inducción electromagnética. Cuando la corriente alterna se aplica a un conductor, como alambre de cobre, un campo magnético se desarrolla en y alrededor del conductor. Este campo magnético se expande a medida que aumenta la corriente alterna y disminuye hasta desaparecer cuando la corriente se reduce a cero. Si 11. Ref. [4],[5] y [6].

(35) 20. otro conductor eléctrico se pone en la proximidad a este campo magnético cambiante, una corriente será inducida en este segundo conductor.. Las corrientes de Eddy son corrientes eléctricas inducidas que fluyen en una trayectoria circular. Reciben su nombre por los "remolinos (eddies)" que se forman cuando un líquido o gas fluyen en una trayectoria circular, alrededor de los obstáculos, cuando las condiciones son correctas.. Para generar corrientes de Eddy para una inspección, "una sonda" es usada que se la puede representar como muestra la Figura 1.5 (a). Dentro de la sonda está un filamento de conductor eléctrico en forma de rollo o bobina. Se deja fluir una corriente alterna por la bobina, a una frecuencia escogida por el técnico, dependiendo del tipo de prueba que se va a realizar (Figura 1.5 (b)).. Se forma un campo magnético en y alrededor de la bobina debido a la circulación de corriente a través de la bobina, lo que se puede graficar como en la Figura 1.5 (c).. Cuando un material eléctricamente conductor es colocado en el campo dinámico magnético de la bobina electromagnética, la inducción ocurrirá e inducirá corrientes de Eddy en el material, lo que se representa en la Figura 1.5 (d).. Las corrientes de Eddy que fluyen en el material generarán su propio campo "secundario" magnético que se opondrá el campo "primario" magnético de la bobina (Figura 1.5 (e)).. Este proceso entero de inducción electromagnética para producir corrientes de Eddy puede ocurrir varios cientos o varios millones de veces cada segundo dependiendo de la frecuencia de inspección. Cuando un defecto es introducido al material conductor, las corrientes de Eddy son interrumpidas, esto se ilustra en la Figura 1.5 (f)..

(36) 21. Figura 1.5. Descripción gráfica de inspección por corrientes de Eddy.. Una de las principales ventajas de la corriente de Eddy como herramienta para END es la variedad de inspecciones y mediciones que se pueden realizar. En las circunstancias apropiadas, las corrientes de Eddy se pueden utilizar para: . Detección de grietas. . Mediciones de espesor de material. . Mediciones de espesor de revestimiento. . Mediciones de conductividad para: -. Identificación de materiales. -. Detección de daño por calor. -. Determinación de profundidad. Algunas de las ventajas de la inspección por corrientes de Eddy incluyen: . Sensible a las pequeñas grietas y otros defectos. . Detecta defectos en la superficie y cerca de la superficie. . Inspección da resultados inmediatos. . El equipo es portátil. . El ensayo puede ser utilizado para mucho más que la detección de defectos.

(37) 22. . La sonda de prueba no necesita ponerse en contacto con el objeto. . Inspecciona formas y tamaños complejos de materiales conductores. Algunas de las limitaciones de la inspección por corrientes parásitas incluyen: . Sólo materiales conductores pueden ser inspeccionados. . La superficie debe estar accesible a la sonda. . La habilidad y la capacitación requerida es más extensa que otras técnicas. . El acabado superficial y la rugosidad pueden interferir. . Los patrones de referencia necesarios deben ser establecidos. . La profundidad de penetración es limitada. . Los defectos que se encuentran paralelos a la bobina de la sonda y a la dirección de exploración de la sonda son indetectables. 1.3.1 PROPIEDADES DE LA ELECTRICIDAD. Debido a que la inspección de corrientes de Eddy hace uso de la inducción electromagnética, es importante saber acerca de los principios científicos de la electricidad y el magnetismo. Se hará una breve revisión de los parámetros clave. . Electricidad. Es bien sabido que una de las partículas subatómicas de un átomo es el electrón. Los átomos pueden, y por lo general tienen un número de electrones que giran alrededor de su núcleo. Los electrones tienen una carga electrostática negativa y bajo ciertas condiciones puede pasar de un átomo a otro. La dirección del movimiento entre los átomos es aleatoria a menos que una fuerza haga que los electrones se muevan en una dirección. Este movimiento direccional de electrones debido a un desequilibrio de la fuerza es lo que se conoce como la electricidad. . Corriente eléctrica. El flujo de electrones se mide en unidades llamadas amperios o amps., para abreviar. Un amperio es la cantidad de corriente eléctrica que se produce cuando un número de electrones, que tiene un Coulomb de carga, se mueven más allá de.

(38) 23. un punto dado en un segundo. Un coulomb es la carga transportada por 6.25 x 10^18 electrones o 6,250,000,000,000,000,000 electrones. . Fuerza electromotriz. La fuerza que hace que los electrones se muevan en un circuito eléctrico se denomina fuerza electromotriz o FEM . A veces es conveniente pensar en la FEM como la presión eléctrica. En otras palabras, es la fuerza que hace que los electrones se mueven en una dirección determinada dentro de un conductor. Hay muchas fuentes de FEM, las más comunes son las baterías y los generadores eléctricos. . El Voltio. La unidad de medida de la FEM es el voltio. Un voltio se define como la diferencia electrostática entre dos puntos cuando un joule de energía se utiliza para mover un culombio de carga de un punto a otro. Un joule es la cantidad de energía que se consume cuando un vatio de potencia funciona por un segundo. Esto también se conoce como un vatio-segundos. Para nuestros propósitos, basta con aceptar el hecho de que un joule de energía es una cantidad muy, muy pequeña de energía. Por ejemplo, un foco de 60 vatios consume unos 60 joules de energía cada segundo que este encendido. . Resistencia. La resistencia es la oposición de un cuerpo o sustancia al paso de corriente eléctrica a través de él, lo que resulta en un cambio de energía eléctrica en calor, luz, u otras formas de energía. La cantidad de resistencia depende del tipo de material. Los materiales. con baja resistencia. son buenos conductores de. electricidad. Los materiales con alta resistencia son buenos aisladores.. 1.3.2 FLUJO DE CORRIENTE Y LA LEY DE OHM. La ley de Ohm es la más importante por ser la ley básica de la electricidad. Se define la relación entre las tres magnitudes eléctricas fundamentales: corriente, tensión y resistencia. Cuando se aplica un voltaje a un circuito que contiene sólo.

(39) 24. elementos resistivos, la corriente fluye de acuerdo con la ley de Ohm, como se muestra en la Figura 1.6.. Figura 1.6. Circuito Básico.. (1.1). Donde: I=. La corriente eléctrica (amperios). V = Tensión (voltaje) R = Resistencia (ohmios). La ley de Ohm, ecuación (1.1), afirma que la corriente eléctrica (I) que fluye en un circuito es proporcional a la tensión (V) e inversamente proporcional a la resistencia (R). Por lo tanto, si la tensión se incrementa, la corriente aumentará siempre que la resistencia del circuito no cambie. De manera similar, el aumento de la resistencia del circuito bajará el flujo de corriente si la tensión no se cambia.. Figura 1.7. Gráficas de Corriente y Voltaje (Ley de Ohm)..

(40) 25. La corriente y voltaje se muestran en la Figura 1.7, como se muestran en un osciloscopio con el tiempo, eje X y el eje Y es la amplitud de la corriente o tensión.. Ley de Ohm es válida tanto para corriente continua (DC) y corriente alterna (AC).. 1.3.3 INDUCCIÓN E INDUCTANCIA. En 1824, Oersted descubrió que la corriente que pasa a través de una bobina crea un campo magnético capaz de desplazar una aguja de la brújula. Siete años más tarde, Faraday y Henry descubrieron todo lo contrario. Se dieron cuenta de que un campo magnético móvil podría inducir corriente en un conductor eléctrico, como se muestra en la Figura 1.8. Este proceso de generación de corriente eléctrica en un conductor mediante la colocación del conductor en un campo magnético. variable. se. llama inducción. electromagnética. o. simplemente. inducción. Se llama inducción porque la corriente se dice que es inducida en el conductor por el campo magnético.. Figura 1.8. Inducción.. Faraday también notó que la velocidad a la que el campo magnético cambia también tenía un efecto sobre la cantidad de corriente o tensión que se indujo. La Ley de Faraday para un conductor desenrollado, dice que la cantidad de tensión inducida es proporcional a la velocidad de cambio de líneas de flujo que cortan el conductor. Ley de Faraday para un alambre recto se escribe en la ecuación (1.2)..

(41) 26. (1.2). Donde: V L = la tensión inducida en voltios dØ / dt = la variación del flujo magnético en webers / segundo. La inducción se mide en unidades de henrios (H), lo que refleja esta dependencia de la velocidad de cambio del campo magnético. Un Henrio es la cantidad de inductancia que se requiere para generar un voltio de voltaje inducido cuando la corriente está cambiando en una relación de un amperio por segundo. Nótese que es la corriente la que se utiliza en la definición en lugar de campo magnético. Esto es porque la corriente puede ser usada para generar el campo magnético y es más fácil de medir y controlar que el flujo magnético. . Inductancia. Cuando se produce la inducción en un circuito eléctrico y afecta el flujo de electricidad se denomina inductancia, L. La auto-inductancia, o simplemente inductancia, es la característica de un circuito por el cual un cambio en la corriente causa un cambio en el voltaje en el mismo circuito. Cuando un circuito induce un flujo de corriente en un segundo circuito, cercano, se conoce como inducción mutua. La Figura 1.9 muestra un ejemplo de inducción mutua. Cuando una corriente alterna fluye a través de un trozo de alambre en un circuito, un campo electromagnético se produce, este está en constante crecimiento y la contracción, y cambiando de dirección debido a que la corriente cambia constantemente en el alambre. Este campo magnético cambiante induce corriente eléctrica en otro hilo o circuito que se acerca al alambre del circuito primario. La corriente en el segundo alambre será también de corriente alterna y, de hecho, será muy similar a la corriente que fluye en el primer alambre. Un transformador eléctrico utiliza la inductancia para cambiar el voltaje de la electricidad a un nivel más útil. En los ensayos no destructivos, la inductancia se utiliza para generar corrientes de Eddy en la pieza a inspeccionar..

(42) 27. Figura 1.9. Inducción Mutua. 1.3.4 AUTO-INDUCTANCIA Y REACTANCIA INDUCTIVA. La auto-inductancia es una forma particular de la inducción electromagnética. Auto-inductancia se define como la inducción de un voltaje en un hilo conductor de corriente cuando la corriente en el propio alambre está cambiando. En el caso de la auto-inductancia, el campo magnético creado por una corriente variable en el propio circuito induce una tensión en el mismo circuito. Por lo tanto, el voltaje es auto-inducido.. El término inductor se utiliza para describir un elemento del circuito que posee la característica de la inductancia y una bobina de alambre es un inductor muy común.. La corriente alterna que pasa por la bobina crea un campo magnético dentro y alrededor de la bobina que está aumentando y disminuyendo, como cambia la corriente. El campo magnético forma bucles concéntricos que rodean el alambre y se unen para formar grandes bucles que rodean la bobina como se muestra en la Figura 1.10. Cuando la corriente aumenta en un bucle del campo magnético en expansión, cortará a través de algunos o todos los bucles vecinos del alambre, induciendo una tensión en estos bucles. Esto provoca una tensión que es inducida en la bobina cuando la corriente está cambiando..

(43) 28. Figura 1.10. Campo Magnético en una Bobina. Al estudiar la Figura Nº 1.10, de una bobina, se puede observar que el número de espiras en la bobina tendrá un efecto sobre la cantidad de voltaje que se induce en el circuito. El aumento del número de vueltas o la tasa de cambio del flujo magnético aumenta la cantidad de tensión inducida. Por lo tanto, la Ley de Faraday debe ser modificada para una bobina de alambre y se convierte en:. (1.3). Donde: V L = tensión inducida en voltios N = número de vueltas en la bobina de dØ / dt = tasa de variación del flujo magnético en webers / segundo. La ecuación (1.3) simplemente indica que la cantidad de voltaje inducido (VL) es proporcional al número de espiras en la bobina y la tasa de cambio del flujo magnético (dØ/dt). En otras palabras, cuando la frecuencia del flujo se incrementa o el número de espiras en la bobina se incrementa, la cantidad de tensión inducida también aumentará.. En un circuito, es mucho más fácil medir la corriente que medir el flujo magnético, por lo que la ecuación (1.4) puede ser utilizada para determinar la tensión inducida si la inductancia y la frecuencia de la corriente son conocidas..

(44) 29. (1.4). Donde: V L = la tensión inducida en voltios L = el valor de la inductancia en henrios di / dt = la tasa de cambio de la corriente en amperios por segundo . Ley de Lenz. Poco después de que Faraday propuso su ley de la inducción, Heinrich Lenz desarrollado una regla para determinar la dirección de la corriente inducida en un bucle. Básicamente, la ley de Lenz dice que una corriente inducida tiene una dirección tal que su campo magnético se opone al cambio en el campo magnético que induce la corriente. Esto significa que la corriente inducida en un conductor se opondrá a la variación de corriente que está causando el flujo a cambiar. Ley de Lenz es importante para entender la característica de reactancia inductiva, que es una de las propiedades medidas en las pruebas de corriente de Eddy. . Reactancia inductiva. La reducción del flujo de corriente en un circuito debido a la inducción se denomina reactancia inductiva. Al trabajar con una bobina de alambre y la aplicación de la Ley de Lenz, se puede entender cómo la inductancia reduce el flujo de corriente en el circuito. La corriente inducida trabajando al contrario de la corriente primaria provoca una reducción del flujo de corriente en el circuito. Cabe señalar que la reactancia inductiva aumentará si el número de vueltas en la bobina se incrementa puesto que el campo magnético de una bobina tendrá más bobinas para interactuar.. De manera similar a la resistencia, la reactancia inductiva reduce el flujo de corriente en un circuito. Sin embargo, es posible distinguir entre la resistencia y la reactancia inductiva en un circuito mirando el tiempo entre las ondas sinusoidales de la tensión y corriente de la corriente alterna. En un circuito de corriente alterna que contiene sólo componentes resistivos, la tensión y la corriente estarán en.

(45) 30. fase, lo que significa que los picos y valles de las ondas sinusoidales ocurrirán al mismo tiempo. Cuando hay una reactancia inductiva presente en el circuito, la fase de la corriente se desplaza de modo que sus picos y valles no ocurren al mismo tiempo que los de la tensión.. 1.3.5 INDUCTANCIA MUTUA (La Base de la Inspección por corrientes de Eddy). El flujo magnético a través de un circuito puede estar relacionado con la corriente en dicho circuito y las corrientes en otros circuitos cercanos, suponiendo que no hay imanes permanentes cerca., como se muestra en la Figura 1.11.. Figura 1.11. Inductancia Mutua. El campo magnético producido por el circuito 1 atraviesa el cable en el circuito 2 y crea un flujo de corriente. El flujo de corriente inducida en el circuito 2 tendrá su propio campo magnético que interactúa con el campo magnético del circuito 1. En algún punto P, el campo magnético se compone de una parte debido a la i1 y una parte debido a i2. Estos campos son proporcionales a las corrientes que los producen. Las bobinas en los circuitos están designadas con L 1 y L 2 y este término representa la auto-inductancia de cada una de las bobinas. Los valores de L 1 y L 2 depende de la disposición geométrica del circuito (es decir, número de vueltas en la bobina) y la conductividad del material. La constante M, llamada la inductancia mutua de los dos circuitos, es dependiente de la disposición geométrica de los dos circuitos. En particular, si los circuitos están muy separados, el flujo magnético a través del circuito 2 debido a la corriente i1 será pequeño y la inductancia mutua será pequeña. L 1 y M son constantes..

(46) 31. Se puede escribir el flujo, ΦB a través del circuito 2 como la suma de dos partes, ecuación (1.5). (1.5). Una ecuación similar a la anterior se puede escribir para el flujo a través del circuito 1, ecuación (1.6). (1.6). Aunque no es obvio, se puede demostrar que la inductancia mutua es la misma para ambos circuitos. Por lo tanto, puede representarse como la ecuación (1.7):. (1.7). . Cómo se utiliza la inducción mutua en la inspección de corrientes de Foucault?12. En la inspección por corrientes de Eddy, las corrientes parásitas se generan en el material de ensayo debido a la inducción mutua. La sonda de prueba es básicamente una bobina de alambre a través del cual se hace pasar corriente alterna. Por lo tanto, cuando la sonda está conectada a un instrumento “eddyscope”, que está básicamente representado por el circuito 1 de la Figura 1.11. El segundo circuito puede ser cualquier trozo de material conductor, como se representa en la Figura 1.12(a).. Cuando la corriente alterna pasa a través de la bobina, un campo magnético es generado en y alrededor de la bobina. Cuando la sonda se pone en estrecha proximidad a un material conductor, tal como aluminio, el campo magnético cambiante de la sonda genera un flujo de corriente en el material. La corriente inducida fluye en bucles cerrados en planos perpendiculares al flujo magnético, esto se puede representar como se muestra en la Figura 1.12(b).. 12. Ref. [5].