Medición de la conductividad eléctrica con corrientes inducidas: 6 factores a los que deberías prestar atención.

La conductividad eléctrica es una cantidad física significativa que describe la capacidad de una sustancia para conducir la electricidad de manera buena o deficiente. Esta información es importante, por ejemplo, para los componentes en la industria electrónica. Además, se pueden hacer afirmaciones sobre propiedades mecánicas y macroscópicas del material que se correlacionan con la conductividad eléctrica. Las siguientes propiedades se pueden determinar frecuentemente mediante la medición de la conductividad:

• Estado de envejecimiento del aluminio.
• Propiedades mecánicas del aluminio.
• Precisión de los elementos aleación.
• Densidad después de un proceso de sinterización.

La norma DIN EN 50994 regula el procedimiento para la medición no destructiva de la conductividad.

El siguiente artículo describe estos factores influyentes, su impacto en la calidad de la medición y las formas de minimizarlos.

1. Efectos térmicos en la medición.

La conductividad eléctrica es una variable dependiente de la temperatura. Si cambia la temperatura, el coeficiente de temperatura del material juega un papel importante. Para los metales, a cuanta mayor temperatura, menor conductividad. Por ejemplo, la conductividad del cobre disminuye de 58.0 MS/m a 20 °C a 56.9 MS/m a 25 °C, lo que representa aproximadamente un 0.4 % por grado Celsius.

La conductividad generalmente se especifica en relación con 20 °C. Cuando el objeto de prueba tiene una temperatura que difiere de 20 °C, la conductividad medida se puede convertir al valor de conductividad a 20 °C utilizando la siguiente ecuación (DIN 50994):

σ(20°C) = σ(T)⋅[1+α⋅(T-20°C)]

En la figura 1 pueden verse los coeficientes de temperatura típicos. Sin embargo, algunos metales, como el titanio, se desvían de la tendencia general. Los valores que se muestran a continuación fueron determinados por el Instituto físico-técnico federal (en alemán: Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB) de Brunswick (Alemania) donde se recogieron 20 muestras.

Fig. 1: Coeficientes de temperatura típicos

La compensación de la temperatura puede realizarse directa o indirectamente. En una compensación directa de la temperatura, se medirá la temperatura del objeto de prueba y se aplicará la fórmula dada anteriormente con el coeficiente de temperatura respectiva. La temperatura puede compensarse indirectamente llevando los patrones de conductividad a la temperatura del objeto de prueba para una calibración de dos puntos. Esto eleva la curva de calibración del sistema de medición al nuevo rango de temperatura. A continuación, se pueden realizar mediciones con compensación de temperatura.

2. Efectos de separación de la sonda.

Un cambio en la distancia entre la sonda de corriente de Foucault y la superficie de medición tiene una gran influencia en la precisión de la medición. Por lo tanto, los instrumentos de medición de corriente de Foucault en el mercado suelen tener la función de detectar la distancia entre la sonda y el objeto de prueba y compensar este efecto perturbador. De esta manera, también es posible medir recubrimientos delgados y láminas.

La figura 2 muestra la influencia de la distancia entre el objeto de ensayo y la sonda en el error relativo de medición a 60 kHz, utilizando como ejemplo cuatro tipos diferentes de conductividad.

Fig. 2: Efectos de despegue a 60 kHz

3. Grosor del material del objeto de prueba.

Si el objeto medido es demasiado delgado, el campo magnético generado no penetra completamente el material. Es decir, la densidad de corriente de Foucault en el material no solo está influenciada por la conductividad, sino también por el grosor del material.

Por esta razón, es esencial observar el grosor mínimo crítico del objeto medido (ver DIN 50994):

Donde d0 denota la profundidad de penetración estándar a la que la densidad de corriente ha decaído a 1/e:

δ_{0 = K ⋅ (503⋅10³)/√(f⋅σ)} 

Esta ecuación muestra que las altas frecuencias f conducen a una baja profundidad de penetración (el llamado "efecto piel"). Por lo tanto, la frecuencia de medición puede ser ajustada para que el espesor del material sea mayor que el espesor de saturación . Asimismo, la profundidad de penetración disminuye con el aumento de la conductividad del material. K denota el factor de corrección específico del tipo de sonda, que tiene en cuenta la falta de homogeneidad del campo de la bobina, así como la falta de homogeneidad del material del objeto de ensayo. En una primera aproximación, puede fijarse K = 1.

Fig. 3: Espesor mínimo del objeto de ensayo

Una prueba sencilla para determinar si un objeto de prueba cumple con los requisitos de un grosor mínimo en la frecuencia de medición deseada se puede realizar utilizando el estándar de cobre incluido con el instrumento. Aquí, el estándar se coloca directamente debajo del objeto de prueba y se examina si la sonda mide la conductividad del objeto de prueba o del estándar. En el último caso, el objeto de prueba sería demasiado delgado.

4. Superficies curvadas.

Las superficies curvadas tienen una fuerte influencia en el valor medido. Cuanto menor sea el radio de curvatura del objeto de medición, más pronunciada será esta influencia. Para minimizar la influencia de la curvatura en el resultado de la medición, existe la posibilidad de realizar el ajuste ("calibración de puntos n") en un material con la misma curvatura. Si está disponible, la opción más sencilla sería ingresar directamente el radio o el diámetro de curvatura en el dispositivo. El dispositivo más tarde corregirá el valor de conductividad medido utilizando la relación almacenada entre la frecuencia de medición, el material y el radio de curvatura.

La figura 4 muestra un ejemplo de la desviación porcentual del valor de medición en una probeta especial de cobre en función del radio de curvatura. La desviación es más pronunciada para radios de curvatura pequeños. También se puede observar una dependencia de la frecuencia de medición.

Fig. 4: Desviación porcentual del valor medido de conductividad en función del radio de curvatura y de la frecuencia de medición utilizando cobre como ejemplo

La influencia de las superficies curvadas se puede determinar con un factor de corrección, como se muestra en los diagramas anteriores.

Ejemplo:

Otra posibilidad de suprimir eficazmente la influencia de las superficies curvas consiste en utilizar patrones de calibración que se correspondan con la probeta en su forma geométrica. Para las mediciones en superficies curvas, debe utilizarse siempre una ayuda de descenso.

5. Efectos en los bordes de la sonda de medición conductora.

La sonda de un medidor de conductividad está protegida electromagnéticamente en los bordes. La Figura 5 muestra un diagrama esquemático de la curva del flujo magnético para una sonda protegida (con blindaje) y una sonda no protegida (sin blindaje).

Fig. 5: Campos magnéticos en las zonas de borde de la sonda apantallada y no apantallada

Los campos magnéticos en las áreas de los bordes de la sonda protegida (con blindaje) no influyen en el valor medido. Esto significa que la medición con una sonda protegida (con blindaje) es posible incluso en las caras finales de varillas con solo 14 mm de diámetro. La medición en agujeros también se puede realizar sin errores y, por lo tanto, es posible determinar posibles efectos de sobrecalentamiento en aleaciones de aluminio.

6. Permeabilidad

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