Princípy a aplikácie metódy testovania elektrického potenciálu

Elektrické testovanie je kategória nedestruktívneho testovania (NDT), ktorá využíva prístroje na meranie parametrov elektrického poľa v interakcii s testovaným objektom (TO). Tieto metódy si získali popularitu vďaka svojej účinnosti pri detekcii defektov, meraní hrúbky a štrukturálnej analýze.

Kľúčové aplikácie elektrických metód NDT zahŕňajú:

- Identifikáciu delaminácií v plechoch a defektov odliatkov.
- Hodnotenie kvality spájkovaných spojov.
- Detekciu defektných zvarov.
- Identifikácia delaminácií v bimetalických doskách.
- Meranie trhlín v kovových komponentoch.
- Triedenie alebo identifikácia kovových predmetov podľa vodivosti.

Elektro-potenciálna metóda (EPM) je najčastejšie používaná elektrická technika NDT. Zahŕňa meranie rozloženia potenciálu na povrchu TO (testovaného objektu) s cieľom zistiť povrchové chyby.

Obrázok 1: Schematické znázornenie umiestnenia elektród na meranie hĺbky defektu.

Z externého zdroja je do skúmanej oblasti testovaného objektu (TO) dodávaný elektrický prúd (striedavý alebo jednosmerný). Hustota prúdu je rozložená pozdĺž prúdových línií (obrázky 2 a 3) medzi dvoma prúdovými elektródami, ktoré sú umiestnené v určitej vzdialenosti od seba. Keď prúd prechádza vodivým TO, vytvára potenciálne poklesy v každej oblasti jeho povrchu. Potenciálny rozdiel (U) v kontrolovanej oblasti povrchu TO sa meria pomocou meracích (prijímacích) elektród umiestnených v pevnej vzdialenosti od seba.

Získaná hodnota U sa používa na vyhodnotenie hĺbky povrchových defektov, ako aj ich rozmerových parametrov.

Povrchový defekt, napríklad trhlina, predstavuje dodatočnú prekážku pre tok prúdu cez TO. Na obrázku 2 je schematicky znázornené usporiadanie línií rovnakej hustoty prúdu – izolínií hustoty prúdu – a línií rovnakého elektrického potenciálu – ekvipotenciálnych línií – pre oblasť bez defektov za podmienok jednosmerného prúdu. Tieto línie sú navzájom ortogonálne.

Obrázok 2: Schéma rozloženia siločiar prúdu a ekvipotenciálnych čiar v testovanom objekte bez defektov.

Porovnanie usporiadania čiar bez defektov (obrázok 2) a s povrchovými defektmi, ako sú trhliny (obrázok 3), ukazuje, že defekt v súvislom vodivom médiu, orientovaný naprieč izolinami hustoty prúdu, deformuje izolíny aj ekvipotenciálne čiary. Toto skreslenie vedie k zmene hodnoty U medzi pevnými bodmi na povrchu (merané prijímajúcimi elektródami). To naznačuje základnú realizovateľnosť detekcie defektov vo vodivých materiáloch pomocou elektro-potenciálnej metódy.

Obrázok 3: Schéma rozloženia prúdových siločiar a ekvipotenciálnych čiar v testovanom objekte (TO) v prítomnosti defektu
Je dôležité poznamenať, že hustota prúdu v oblasti meranej prijímajúcimi elektródami závisí od nasledujúcich faktorov:

- Vzdialenosť medzi prúdovými elektródami.
- Vzdialenosť medzi prúdovými a prijímajúcimi elektródami.
- Pomer hĺbky trhlín k vzdialenosti medzi prúdovými elektródami.
- Elektromagnetické vlastnosti kovu (elektrická vodivosť a magnetická permeabilita).
- Hrúbka kontrolovaného objektu.

Okrem merania potenciálneho rozdielu U_D medzi prijímajúcimi elektródami v oblasti s trhlinkou sa meria aj potenciálny rozdiel U₀ v oblasti povrchu, ktorá je zámerne bez defektov (obrázok 4). Kvalita kontrolovanej oblasti sa hodnotí na základe hodnoty relatívneho potenciálneho rozdielu U', vypočítaného podľa nasledujúceho vzorca: 

U'=(U_D-U₀)/U₀

Obrázok 4: U₀ – hodnota potenciálneho rozdielu medzi prijímajúcimi elektródami v oblasti bez defektov, UD – hodnota potenciálneho rozdielu medzi prijímajúcimi elektródami v oblasti s defektmi, h – hĺbka defektu.
 

Hĺbka defektu h sa určuje pomerom U_D / U₀​. Tento prístup kompenzuje vplyv špecifickej elektrickej vodivosti materiálu na výsledky kontroly. Hodnota U_D / U₀​ teda závisí primárne len od hĺbky defektu h a relatívneho umiestnenia prúdových a potenciálnych elektród.

Aby sa zabezpečilo, že pomer U_D / U₀=U′ je nezávislý od elektrofyzikálnych vlastností kontrolovanej oblasti pri použití jednosmerného prúdu, stačí, aby sa zhodovali špecifické elektrické vodivosti defektnej a bezchybnej oblasti. Stojí za zmienku, že závislosť U_D / U_D(h) je konzistentná vo všetkých nemagnetických kovoch, ktoré sú homogénne z hľadiska špecifickej elektrickej vodivosti.

Typicky sú prúdové a prijímacie elektródy integrované do senzorov, ktoré sú prostredníctvom káblov pripojené k elektronickej jednotke. Elektródy sú navrhnuté s ostrými hrotmi pre bezpečné umiestnenie na malých plochách a sú pružinové, aby vyvíjali väčší tlak v kontaktnej zóne. Táto konštrukcia zabezpečuje nielen lepší kontakt s povrchom, ale umožňuje aj merania na nerovných povrchoch.
Najvhodnejším materiálom na výrobu elektród je tvrdená oceľ, ktorá poskytuje vysokú odolnosť proti opotrebeniu, potrebnú na udržanie ostrých hrotov po dlhú dobu. Bežne sa vyrábajú dva hlavné typy sond: štvorelektródové a trojelektródové sondy (obrázok 5).

Štvorelektródová sonda obsahuje dve prúdové a dve potenciálne elektródy. Tieto sondy sú navrhnuté s rôznymi vzdialenosťami medzi prúdovými elektródami v závislosti od požadovaného meracieho rozsahu.

Obrázok 5 znázorňuje rôzne konštrukcie štvorelektródových senzorov pre prístroj na meranie hĺbky trhlín ET-28:

Sonda „1x4“: Elektródy sú usporiadané v jednom rade a sú určené na meranie hĺbky trhlín od 0,5 do 30 mm.

Sonda „2x2“: Elektródy sú usporiadané v dvoch radoch a sú vhodné na meranie hĺbky trhlín od 0,5 do 20 mm. Táto sonda je ideálna na použitie v ťažko dostupných oblastiach a na povrchoch s tesne rozmiestnenými trhlinami.

Je dôležité poznamenať, že elektro-potenciálna metóda implementovaná v prístroji na meranie hĺbky trhlín ET-28 umožňuje posúdiť hĺbku trhlín až do 100 mm. Vypočítaná hodnota chyby však zostáva presná len v rámci špecifikovaného meracieho rozsahu pre každý typ sondy.

Obrázok 5: Príklady konfigurácií sondy pre prístroj na meranie hĺbky trhlín ET-28 spoločnosti TEQTO.
 
Sonda s tromi elektródami obsahuje dve potenciálne elektródy vzdialené od seba 2–5 mm a jednu prúdovú elektródu. Druhá prúdová elektróda je navrhnutá ako externá súčasť vybavená magnetom pre rýchle pripevnenie na požadované miesto na povrchu testovaného objektu (TO). Táto konštrukcia umožňuje umiestniť prúdovú elektródu vo výraznej vzdialenosti od potenciálnych elektród, čím sa zabezpečí splnenie podmienky, že „hlbka trhlín musí byť menšia ako vzdialenosť medzi prúdovými elektródami“. To výrazne znižuje nelinearitu meraní zariadenia pri meraní trhlín rôznej hĺbky.

Obrázok 5 znázorňuje sondu „3+1“ s externou prúdovou elektródou, ktorá sa používa na meranie hĺbky trhlín od 0,5 mm do 100 mm. Táto konfigurácia je vhodná aj na použitie v ťažko dostupných oblastiach.

Pri výrobe sondy sa venuje osobitná pozornosť nastaveniu vzdialenosti medzi meracími elektródami, pretože to priamo ovplyvňuje presnosť merania.

Obrázok 6: Prístroj na meranie hĺbky trhlín ET-28 a sondy. 

Obmedzujúce faktory

1. Spoľahlivosť posúdenia hĺbky trhlín vo veľkej miere závisí od homogénnosti a izotropie elektrických vlastností materiálu testovaného objektu, predovšetkým od jeho špecifickej elektrickej odporovosti. Tento faktor určuje maximálnu prípustnú presnosť merania rozmerových parametrov testovaného objektu.



2. Pri meraní hĺbky povrchových defektov je elektro-potenciálna metóda účinná len vtedy, ak má defekt významné lineárne rozšírenie, ako je to typické pre trhliny. Dĺžka defektu musí byť najmenej trojnásobkom jeho hĺbky. Hoci je elektro-potenciálna metóda vysoko účinná pri hodnotení hĺbky trhlín, môže byť menej vhodná na určovanie geometrických parametrov iných defektov, ako sú dutiny, jamky, objemové inklúzie alebo póry.