Technika pomiarowa prądów wirowych impulsowych (PEC) jest prawdopodobnie najbardziej wszechstronnym przedstawicielem rodziny technik nieniszczących (NDE) opartych na prądach wirowych (EC) i znajduje wiele zastosowań w wykrywaniu i ilościowym określaniu wad oraz geometrii metali i struktur metalicznych1. Ilościowe określanie grubości przewodzących ścianek struktur ferromagnetycznych, których grubość wynosi od kilku do kilkudziesięciu milimetrów, jest wysokopłatną usługą inżynieryjną w dziedzinie monitorowania stanu technicznego infrastruktury. Infrastruktura krytyczna wykonana ze stopów ferromagnetycznych wymagająca takiej usługi jest powszechnie spotykana w przemyśle energetycznym, wodnym, naftowym i gazowym. Choć czujniki PEC mogą być projektowane w oparciu o kilka architektur, uznano, że architektura oparta na cewce detekcyjnej jest najskuteczniejsza i najczęściej stosowana w ocenie stanu materiałów ferromagnetycznych2,3,4,5. W związku z tym to właśnie architektura czujnika PEC oparta na cewce detekcyjnej stanowi podstawę dla rozwiązywania problemu ilościowego określania grubości przewodzących materiałów ferromagnetycznych.
Architektura czujnika PEC opartego na cewce detekcyjnej składa się zazwyczaj z dwóch koncentrycznie nawiniętych, przewodzących cewek z rdzeniem powietrznym2,3,4,5,6 (zazwyczaj cewek miedzianych). Częstą praktyką jest nawijanie cewek w kształcie koła2,3,4,5,6, choć sporadycznie stosowano cewki o kształcie prostokątnym6. Z dwóch cewek w czujniku jedna pełni funkcję cewki wzbudzającej, a druga cewki detekcyjnej. W czujniku PEC cewka wzbudzająca jest pobudzana impulsem napięcia, który w zasadzie można określić jako funkcję skoku Heaviside'a. To impulsowe wzbudzenie generuje wokół czujnika przejściowe pole magnetyczne (zwane polem pierwotnym). Gdy czujnik zostanie umieszczony w sąsiedztwie przewodzącego elementu badanego (np. przewodzącej ferromagnetycznej struktury przypominającej ścianę), to przejściowe pole magnetyczne indukuje w elemencie badanym zmienne w czasie prądy wirowe. Prądy wirowe te generują wtórne pole magnetyczne (zwane polem wtórnym), które przeciwdziała polu pierwotnemu. W odpowiedzi na wypadkowy efekt pól pierwotnego i wtórnego, w cewce detekcyjnej indukowane jest napięcie przejściowe, które stanowi sygnał PEC w dziedzinie czasu, będący przedmiotem niniejszej pracy.
Wykazano6,7,8, że szybkość zaniku napięcia cewki detektora czujnika PEC (oznaczona jako β) wykazuje proporcjonalność β
μσd2 w przypadku pozyskania sygnału poprzez umieszczenie czujnika PEC nad przewodzącą warstwą ferromagnetyczną o przenikalności magnetycznej μ, przewodności elektrycznej σ i grubości d. Chociaż ta cecha sygnału w postaci szybkości zaniku wykazuje znaczną odporność na takie parametry jak rozmiar czujnika, jego kształt oraz lift-off6,7,8, co czyni szybkość zaniku bardzo pożądaną w wymagających scenariuszach NDE, takich jak in situ ocena stanu rurociągów9,10,11, cecha ta musi zostać skalibrowana (tj. należy oszacować μ oraz σ badanego materiału), aby umożliwić kwantyfikację grubości (tj. d). Aby umożliwić zastosowanie konwencjonalnych metod kwantyfikacji grubości w oparciu o szybkość zaniku6,8, kalibracja ta musi zostać przeprowadzona poprzez pobranie próbek kalibracyjnych6,8 lub z wykorzystaniem metod charakterystyki właściwości materiałów opartych na prądach wirowych12,13. Alternatywnie, złożoność kalibracji można pominąć, reprezentując grubość w postaci grubości względnej. Przy założeniu, że przeprowadzono badanie NDE i z sygnałów wyekstrahowano wartości β, wartość β jakościowo reprezentująca punkt o maksymalnej grubości w badanym elemencie przyjmuje się za referencyjną (tj. βref
μσdmax2); wtedy grubość w dowolnym innym miejscu można przedstawić jako procent grubości maksymalnej w postaci
, prezentując grubość względną jako wynik. Jest to wciąż przydatna informacja jakościowa w ramach wyników NDE, która charakteryzuje się prostotą wynikającą z braku konieczności kalibracji dla μ oraz σ. Przedstawiony w niniejszym dokumencie protokół opisuje kroki, które należy podjąć, aby to osiągnąć.
Ponieważ szybkość zaniku β wykazuje uniwersalność w odniesieniu do architektury czujnika PEC opartego na cewce detekcyjnej, będąc jednocześnie odporną na parametry konstrukcyjne czujnika oraz lift-off6,7,8,14, praktycy mogą wykorzystać dowolny wybrany system pomiarowy PEC oparty na cewce detekcyjnej na odpowiednim przewodzącym materiale ferromagnetycznym w celu przeprowadzenia względnej kwantyfikacji grubości zgodnie z niniejszym protokołem. Przykład konstrukcji czujnika PEC dla przewodzącego materiału ferromagnetycznego jest dostępny dla zainteresowanych czytelników15. Sygnały i wyniki zaprezentowane w niniejszej pracy zostały uzyskane przy użyciu systemu PEC opracowanego przez University of Technology Sydney6,8. Przewodzącym materiałem ferromagnetycznym wykorzystanym do uzyskania reprezentatywnych wyników za pomocą systemu PEC było szare żeliwo pobrane z zestawu testowego rurociągu9,10,11 w Sydney w Australii.
Należy zauważyć, że metody, wyniki i dyskusje przedstawione w niniejszej publikacji koncentrują się jednoznacznie na wykorzystaniu szybkości zaniku sygnału w dziedzinie czasu z architektury czujnika PEC opartego na cewce detekcyjnej do wyznaczania grubości przewodzących materiałów ferromagnetycznych. Publikacja ta nie zawiera szerszej dyskusji na temat ogólnych konwencji zasad detekcji PEC i konfiguracji czujników. Inne opublikowane prace16,17,18 mogą być pomocne dla czytelników chcących uzyskać więcej informacji na temat konfiguracji czujników PEC innych niż architektura czujnika oparta na cewce detekcyjnej.