Misura della conducibilità elettrica con correnti parassite - 6 fattori a cui prestare attenzione

La conducibilità elettrica è una grandezza fisica significativa che descrive la capacità di una sostanza di condurre bene o male l'elettricità. Questa informazione è importante, ad esempio, per i componenti dell'industria elettronica. Inoltre, si possono fare affermazioni sulle proprietà meccaniche e macroscopiche dei materiali che sono correlate alla conduttività elettrica. Le seguenti proprietà possono essere spesso determinate con l'aiuto della misurazione della conducibilità:

Il seguente articolo descrive questi fattori di influenza, il loro impatto sulla qualità delle misure e i modi per ridurli al minimo.

1. Effetti termici nella misurazione

La conduttività elettrica è una variabile dipendente dalla temperatura. Se la temperatura cambia, il coefficiente di temperatura del materiale gioca un ruolo importante. Per i metalli, più alta è la temperatura, più bassa è la conducibilità. Ad esempio, la conduttività del rame passa da 58,0 MS/m a 20 °C a 56,9 MS/m a 25 °C. Ciò corrisponde a circa lo 0,4% per grado Celsius.

La conduttività è solitamente specificata in relazione a 20 °C. Non appena l'oggetto in esame ha una temperatura diversa da 20 °C, la conduttività misurata può essere convertita nel valore di conduttività a 20 °C secondo la seguente equazione (DIN 50994):

σ(20°C) = σ(T)⋅[1+α⋅(T-20°C)]

I coefficienti di temperatura tipici sono riportati nella Figura 1. Tuttavia, alcuni metalli, come il titanio, si discostano dalla tendenza generale. I valori riportati di seguito sono stati determinati dal Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) di Braunschweig per 20 campioni.

Fig. 1: Coefficienti di temperatura tipici

La compensazione della temperatura può essere eseguita direttamente o indirettamente. In una compensazione diretta della temperatura, si misura la temperatura dell'oggetto in esame e si applica la formula sopra riportata con il rispettivo coefficiente di temperatura. La temperatura può essere compensata indirettamente portando gli standard di conducibilità alla temperatura dell'oggetto in esame per una calibrazione a due punti. In questo modo si innalza la curva di calibrazione del sistema di misura al nuovo intervallo di temperatura. È quindi possibile eseguire misure compensate in base alla temperatura.

2. Effetti di sollevamento della sonda

Una variazione della distanza della sonda a correnti parassite dalla superficie di misura influisce notevolmente sull'accuratezza della misura. Pertanto, gli strumenti di misura a correnti parassite presenti sul mercato hanno solitamente la funzione di rilevare la distanza della sonda dall'oggetto in esame e di compensare questo effetto di disturbo. In questo modo è possibile effettuare misure anche su rivestimenti e lamine sottili.

La Figura 2 mostra l'influenza della distanza tra l'oggetto in esame e la sonda sull'errore di misura relativo a 60 kHz, utilizzando come esempio quattro diversi tipi di conduttività.

Fig. 2: Effetti di sollevamento a 60 kHz

3. Spessore del materiale dell'oggetto in esame

Se l'oggetto misurato è troppo sottile, il campo magnetico generato non penetra completamente nel materiale. In altre parole, la densità di correnti parassite nel materiale non è influenzata solo dalla conduttività, ma anche dallo spessore del materiale.

Per questo motivo, è essenziale rispettare lo spessore minimo critico dell'oggetto misurato (vedere DIN 50994):

d_sat = 3 ⋅ δ₀

Dove d₀ indica la profondità di penetrazione standard alla quale la densità di corrente è scesa a 1/e:

δ_{0 = K ⋅ (503⋅10³)/√(f⋅σ)} 

Questa equazione mostra che alte frequenze f portano a una bassa profondità di penetrazione (il cosiddetto "effetto pelle"). La frequenza di misura può quindi essere impostata in modo che lo spessore del materiale sia maggiore dello spessore di saturazione d_sat . Allo stesso modo, la profondità di penetrazione diminuisce con l'aumentare della conduttività del materiale. K indica il fattore di correzione specifico del tipo di sonda, che tiene conto della disomogeneità del campo della bobina e della disomogeneità del materiale dell'oggetto in esame. In prima approssimazione, K = 1 può essere impostato.

Un semplice test per determinare se un oggetto di prova soddisfa i requisiti di spessore minimo alla frequenza di misura desiderata può essere eseguito utilizzando lo standard di rame fornito con lo strumento. In questo caso, lo standard viene posizionato direttamente sotto l'oggetto in esame e si verifica se la sonda misura la conduttività dell'oggetto in esame o dello standard. In quest'ultimo caso, l'oggetto in esame sarebbe troppo sottile.

4. Superfici curve

Le superfici curve influenzano fortemente il valore misurato. Quanto più piccolo è il raggio di curvatura dell'oggetto di misura, tanto più pronunciata è questa influenza. Per ridurre al minimo l'influenza della curvatura sul risultato della misurazione, esiste la possibilità di eseguire la regolazione ("calibrazione a n punti") su un materiale con la stessa curvatura. Se disponibile, l'opzione più semplice è quella di inserire il raggio o il diametro della curvatura direttamente nel dispositivo. Il dispositivo corregge quindi il valore di conducibilità misurato utilizzando la relazione memorizzata tra frequenza di misurazione, materiale e raggio di curvatura.

La Figura 4 mostra un esempio della deviazione percentuale del valore di misura su un provino speciale in rame in funzione del raggio di curvatura. La deviazione è più pronunciata per piccoli raggi di curvatura. Si nota anche una dipendenza dalla frequenza di misura.

Fig. 4: Deviazione percentuale del valore di conducibilità misurato in funzione del raggio di curvatura e della frequenza di misura, utilizzando come esempio il rame

L'influenza delle superfici curve può essere determinata con un fattore di correzione, come mostrato nei diagrammi precedenti.

Un'altra possibilità per sopprimere in modo efficace l'influenza delle superfici curve è quella di utilizzare standard di calibrazione che corrispondano al provino nella loro forma geometrica. Per le misure su superfici curve, si dovrebbe sempre utilizzare un ausilio per ridurne l'effetto.

5. Effetti del bordo della sonda di misura conduttiva

La sonda di un conduttivimetro è schermata elettromagneticamente ai bordi. La Figura 5 mostra un diagramma schematico della curva del flusso magnetico per una sonda schermata e una non schermata.

Fig. 5: Campi magnetici nelle aree di bordo della sonda schermata e non schermata

I campi magnetici nelle aree dei bordi della sonda schermata non influenzano il valore misurato. Ciò significa che la misurazione con una sonda schermata è possibile anche sulle facce finali di aste con un diametro di soli 14 mm. È inoltre possibile eseguire misure in fori o cavità fresate senza errori, determinando così, ad esempio, eventuali effetti di surriscaldamento sulle leghe di alluminio.

6. Permeabilità

Un prerequisito per una misurazione della conduttività priva di errori è che il materiale in esame non sia magnetizzabile. Anche una bassa permeabilità del materiale può portare a errori significativi nella misurazione della conduttività.

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