Thickness measurement using Eddy Currents: Principles and applications

Introducción

La medición de espesores es una evaluación de inspección para determinar el espesor real de un material usado en diferentes aplicaciones industriales, sujeto al control de calidad, la caracterización de materiales y las operaciones de mantenimiento. Uno de los Ensayos No Destructivos más efectivos para la medición de espesor es el uso de la técnica no destructiva de Corrientes Eddy (ECT en inglés). Esta técnica es ampliamente reconocida por su precisión, eficiencia y la capacidad de medir en materiales conductores no magnéticos sin contacto físico.

Este artículo se diserta sobre los diferentes métodos de medición de espesores, y la técnica basada en el Ensayo de Corrientes Eddy (ECT), el principio detrás del medidor de espesor por corrientes Eddy, las diversas aplicaciones de la técnica, y sus ventajas y limitaciones.

Métodos de medición de espesores en diversos componentes

Los activos en las industrias, como: tuberías, recipientes y tanques de almacenamiento, requieren del chequeo, la inspección y monitoreo de corrosión del espesor de las paredes, la determinación del espesor en recubrimientos no conductores sobre sustratos magnéticos y no magnéticos tales como pinturas, y el espesor de recubrimientos metálicos para la protección contra la corrosión y erosión interna como el cladding en el interior de recipientes a presión y tuberías bimetálicas. Diversos Ensayos No Destructivos son aplicados para estos propósitos entre los que se mencionan:

• Ultrasonido (UT): Efectivo y la mejor opción en la evaluación de espesores de paredes en recipientes a presión, tuberías, tanques, entre otros componentes, e ideal para mapeos de corrosión mediante la técnica de Ultrasonido por arreglo de fases. Existen también instrumentos basados en el principio de este ensayo para medir espesores de recubrimientos.
• Radiología (RT): De poco uso para esta aplicación y para casos específicos tales como la medición de espesores de tuberías aisladas. Una técnica basada en fluorescencia de rayos X es usada para medir espesores de recubrimientos, con la ventaja de servir simultáneamente el instrumento como analizador de aleaciones.
• Corrientes Eddy (ECT): Medidor de espesor por corrientes Eddy basados en la generación de corrientes inducidas sirven medir espesores láminas y tubos delgados, recubrimientos metálicos sobre substratos también metálicos con notable diferencia de conductividades, e ideal y la mejor opción en la medición de espesores de recubrimientos sobre substratos magnéticos y no magnéticos (ferrosos y no ferrosos).

Principios del Ensayo de Corrientes Eddy ECT

El principio de ECT se basa en la Ley de Inducción Electromagnética de Faraday, que establece que un campo magnético cambiante induce una fuerza electromotriz (FEM) en un conductor. Cuando la bobina en la sonda de corrientes Eddy se coloca cerca de una superficie conductora, el campo magnético de la bobina induce corrientes Eddy en el material.

Estas corrientes Eddy, a su vez, generan sus propios campos magnéticos, que se oponen al campo magnético original o inductor según creando una resistencia adicional a la resistencia eléctrica propia del conductor de la bobina (R) conocida como reactancia inductiva (X_l). La suma vectorial de ambas oposiciones a la corriente constituye la impedancia de la bobina (Z). En la figura 1, se muestra el plano de impedancia con estos parámetros¹. 

Cualquier falla o cambio en las propiedades eléctricas del material produce una alteración de las corrientes Eddy y estas en la impedancia de la bobina, es decir, las variaciones en la impedancia de la bobina se pueden relacionar con cambios en las propiedades del material, presencia de fallas, su espesor o separación de la sonda de la superficie del componente inspeccionado por la presencia de un material intermedio de determinado espesor (por ejemplo, un recubrimiento).

Al analizar las variaciones en la impedancia de la bobina, esto es a través del cambio del voltaje medido con una segunda bobina y el ángulo de fase del vector impedancia, se pueden detectar cambios en las propiedades del material, detectar fallas presentes, medir el espesor del material o del recubrimiento sobre este a través del uso de un medidor de espesor de corrientes Eddy. Variantes más avanzadas del ensayo como Matriz de Corrientes Eddy (ECA), ofrecen vistas de planta o C-Scan facilitando la interpretación del ensayo y una aplicación más eficiente.

Factores que influyen en las Corrientes Eddy

Varios factores del material afectan el comportamiento de las Corrientes Eddy y, por lo tanto, la precisión de las mediciones de espesor:

• Conductividad: Los materiales de alta conductividad, como el cobre y el aluminio, permiten que las corrientes Eddy fluyan más fácilmente, lo que resulta en campos magnéticos opuestos más fuertes y cambios más significativos en la impedancia de la bobina.
• Permeabilidad: La permeabilidad magnética del material también influye en las corrientes Eddy. Los materiales ferromagnéticos, con alta permeabilidad, aumentan la interacción entre el material y el campo magnético, lo que puede complicar el proceso de medición.
• Espesor: El espesor del material está directamente relacionado con la distribución de las corrientes Eddy y su desfase afectando estos parámetros en la impedancia de la bobina inductora. A medida que se avanza en profundidad hay menos densidad en el flujo de las corrientes por lo que la señal disminuye en amplitud, por otro lado, las Corrientes Eddy se van desfasando progresivamente y por lo tanto variando el ángulo de fase de la señal (vista en un plano de impedancia), siendo este uno de los fundamentos para la medición de espesores o determinación de profundidad de defectos tales como picaduras.
• Levantamiento de la sonda (lift – off): Se define como la separación entre la sonda del sensor y la superficie conductora. Es un factor que tiene un gran impacto en el ensayo de ECT². Esta separación puede ser provista por el espesor de un recubrimiento por lo que puede ser aprovechado como principio para la determinación de su espesor de un medidor de espesor por corrientes Eddy.

Aplicaciones de las corrientes Eddy como medidor de espesores

El medidor de espesor por corrientes de Eddy se utiliza en una amplia gama de industrias debido a su naturaleza no destructiva y su capacidad para medir materiales que son difíciles o imposibles de medir con otras técnicas.

• Medición del espesor de recubrimientos: Una de las aplicaciones más comunes e ideal de la medición de espesores por ECT es la determinación del espesor de recubrimientos no conductores sobre sustratos conductores y no conductores. Por ejemplo, en la industria automotriz, esta técnica se utiliza para medir el espesor de pintura, esmalte o recubrimientos plásticos sobre superficies metálicas. La capacidad de medir sin dañar el recubrimiento es fundamental para el control de calidad durante el proceso de fabricación. En la figura 2, se muestra un equipo de medición de espesor de recubrimientos por Corrientes Eddy.

• Medición del espesor de láminas y hojas metálicas: En la producción de láminas y hojas metálicas, mantener un espesor constante es esencial para garantizar la calidad del producto. La medición de espesor por corrientes Eddy proporciona un método rápido y preciso para medir el espesor de materiales metálicos delgados. Esto es particularmente importante en industrias como la aeroespacial, la electrónica, construcción de recipientes a presión y el envasado, donde las dimensiones precisas del material son críticas.
• Medición del espesor de capas conductoras delgadas: También es posible medir el espesor de una capa fina de metal sobre un sustrato metálico, siempre que los dos metales tengan conductividades eléctricas muy diferentes (por ejemplo, plata sobre plomo). Se debe seleccionar una frecuencia tal que haya una penetración completa de corrientes Eddy en la capa, pero no en el sustrato en sí⁴.
• Inspección de tuberías y tubos delgados: El ECT se utiliza ampliamente en la inspección de tuberías y tubos delgados, especialmente en la industria del petróleo y gas. Es eficaz para medir el espesor de las paredes de materiales conductores y detectar corrosión o adelgazamiento en tuberías metálicas, como por ejemplo los tubos de intercambiadores de calor. Esta aplicación es vital para garantizar la integridad de las tuberías y prevenir fugas que podrían causar paradas imprevistas.
• Control de calidad en la fabricación: En muchos procesos de fabricación, mantener el espesor correcto de los materiales es crucial para el rendimiento y la durabilidad del producto. Los sistemas de medición de espesor por ECT se integran en las líneas de producción para monitorizar continuamente el espesor de los materiales, asegurando que cumplan con las tolerancias especificadas. Esta aplicación es común en la producción de componentes como hojas metálicas, alambres y extrusiones.

Métodos de medición de espesores de recubrimientos por ECT

Para la medición de recubrimientos sobre substratos conductores y no conductores se hace uso de una sonda que consiste de un núcleo de hierro alrededor del cual se enrolla una bobina excitadora o de inducción y una segunda bobina de medición, haciendo pasar una corriente alterna en la bobina de excitación. Para el método basado en corrientes inducidas puede hacerse uso de una sola bobina.

Cuando el núcleo de hierro con las dos bobinas se acerca a un objeto magnetizable como el hierro, el hierro refuerza el campo magnético alternante. La bobina de medición registra esta ganancia como un voltaje⁵. Mientras mayor es la distancia entre el polo y la pieza de hierro mayor es la diferencia de potencial. Esta separación corresponde al espesor del recubrimiento sobre la pieza. En la figura 3, se muestra el principio de medición.

Dependiendo del substrato sobre el cual está aplicado recubrimiento, existen dos métodos de medición:

• Efecto magnético-inductivo: Cuando la bobina del campo se excita con una frecuencia de prueba muy baja, se utiliza la permeabilidad magnética del material base ferromagnético para medir el espesor de los recubrimientos no ferromagnéticos como el cobre y el zinc⁵. 

• Efecto de corriente inducidas: Cuando la bobina del campo se excita con una frecuencia de prueba alta, se utiliza la conductividad eléctrica de los materiales base eléctricamente conductores para medir el espesor de los recubrimientos no eléctricamente conductores como pintura, barniz, anodizado, etc³. En este método se puede hacer uso de una sola bobina.

la medición no destructiva del espesor de los recubrimientos y utilizan dos métodos diferentes: el principio magnético-inductivo y el principio de corrientes parásitas. Ambos principios se explican en el siguiente vídeo. Cortesía de PHYNIX GmbH & Co. KG.

Principios de medición para medidores de espesor de revestimiento.

Ventajas de la medición de espesores por ECT

El medidor de espesor por corrientes de Eddy ofrece varias ventajas sobre otras técnicas de medición de espesor, lo que la convierte en una opción preferida en muchas aplicaciones:

• Medición sin contacto: Uno de los principales beneficios del ECT no requiere contacto físico con el material, es decir sin la aplicación de un medio de acople como el caso del ensayo de Ultrasonido (UT) y uso de transductores piezoeléctricos. Esto es particularmente útil para medir superficies delicadas o recubiertas donde el contacto podría causar daños.
• Alta precisión y resolución: Los dispositivos basados en corrientes Eddy pueden medir el espesor con alta precisión, a menudo hasta micrómetros, lo que los hace adecuados para aplicaciones que requieren mediciones precisas.
• Rápido y eficiente: La técnica permite una medición rápida, lo que es ideal para su uso en líneas de producción automatizadas o para inspeccionar grandes áreas rápidamente.
• Capacidad para medir recubrimientos no conductores: ECT es particularmente eficaz para medir el espesor de recubrimientos no conductores sobre sustratos conductores, una tarea que es desafiante para otros métodos de medición.

Limitaciones de la medición de espesores por Corrientes Eddy

Aunque la medición de espesor por corrientes de Foucault es una técnica poderosa, tiene ciertas limitaciones:

• Dependencia del material: La precisión de la medición depende en gran medida de las propiedades del material, como la conductividad y la permeabilidad. Las variaciones en estas propiedades pueden conducir a errores en la medición.
• Profundidad de penetración limitada: Las corrientes Eddy están confinadas a la superficie del material, lo que dificulta la medición del espesor de materiales gruesos o la detección de defectos en profundidad.
• Requisitos de calibración: Los dispositivos de corrientes Eddy requieren una calibración cuidadosa para garantizar mediciones precisas. Esto puede ser un proceso que consume tiempo, especialmente al medir diferentes tipos de materiales.
• Sensibilidad a las condiciones de la superficie: La presencia de rugosidad en la superficie, contaminantes o recubrimientos puede afectar la precisión de la medición, ya que estos factores influyen en la distribución de las corrientes Eddy.

Conclusión

La determinación de espesores a través del uso del medidor de espesor por corrientes Eddy es una técnica versátil y ampliamente utilizada en diversas industrias para inspecciones no destructivas y caracterización de materiales. Su capacidad para proporcionar mediciones precisas, rápidas y sin contacto la hace indispensable en aplicaciones que van desde la medición de espesor de recubrimientos hasta la inspección de tuberías de pared delgada.

Sin embargo, la dependencia del método en las propiedades del material y las condiciones de la superficie requiere una consideración y calibración cuidadosas para garantizar resultados precisos. A pesar de sus limitaciones, la medición de espesor por corrientes Eddy sigue siendo una herramienta crítica para mantener la calidad y seguridad en numerosos procesos industriales.

Referencias

1. https://www.nde-ed.org/NDETechniques/EddyCurrent/Graphics/ImpedancePlane.gif
2. QIUPING MA, GUI YUN TIAN, BIN GAO, XIANGYU ZHAO, GAIGE RU, HAORAN LI. Lift-off suppression based on combination of bridge and transformer signal conditionings of eddy current testing; Consultado en fecha 12 de Agosto de 2024. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0963869522001232#:~:text=Lift%2Doff%20is%20defined%20as%20the%20distance%20between%20the%20sensor%20probe%20and%20the%20conductive%20surface.%20It%20is%20a%20prominent%20impaction%20factor%20in%20the%20electromagnetic%20non%2Ddestructive%20testing%20and%20evaluation%20field%20(NDT%26E)
3. https://world.helmut-fischer.com/es/tecnicas/medicion-de-espesor-de-revestimiento-inductivo-magnetico
4. IOWA STATE UNIVERSITY. Eddy Current Testing; Consultado en fecha 13 de Agosto de 2024. https://www.nde-ed.org/NDETechniques/EddyCurrent/Applications/thicknessmeasurements.xhtml#:~:text=It%20is%20also,ferromagnetic%20metal%20bases.
5. Marc Oliver Albrecht. What is Eddy Current Testing?; Consultado en fecha 13 de Agosto de 2024. https://blog.foerstergroup.com/en/component-testing/what-is-an-eddy-current-test#:~:text=When%20the%20iron%20core%20with%20the%20two%20coils%20approaches%20a%20magnetizable%20object%2C%20iron%2C%20the%20iron%20strengthens%20the%20alternating%20magnetic%20field