Tutorial terico-prctico: medicin de magnetismo residualM. G. Alatorre MorenoM. A. Escobar V. malatorr@cenam.mxmescobar@cenam.mxLaboratorio de Densidad de Flujo MagnticoCentro Nacional de MetrologaContenido1.Objetivo 2. Introduccin 3. Fundamentos de Magnetismo4. Necesidades metrolgicas detectadas5. Por qu es importante medir el magnetismo residual?6. Consideraciones prcticas en las mediciones de magnetismo residuali.Magnetmetros utilizados, sus especificaciones y principios de medicinii. Mtodo de medicin y cuidados que se requieren en la realizacin de las mediciones.7. Prcticas de medicin de magnetismo residual y anlisis de las mediciones.i.Determinacin de las principales fuentes de error y de incertidumbre en las medicionesii.Trazabilidad de las mediciones1. Objetivo :Fortalecer las competencias tcnicas del personalde la industria que realiza o requiere realizarmediciones de magnetismo residual, para contribuiral aseguramiento de la calidad de sus productos.Densidad de flujo magntico: Flujo magntico o nmero de lneas decampo magntico por unidad de rea, que es generado por corrienteselctricas que circulan a travs de circuitos elctricos o por imanesDensidad de flujo Densidad de flujomagntico magnticotesla (T tesla (T) =Wb/m ) =Wb/m22MagnitudBSmbolo Unidad del Sistema InternacionalASNAI2. IntroduccinSistemas de generacin de campo magntico BElectroimnBobinas de HelmholtzImn patrn Magnetismo residual ( B residual )Por magnetismo residual se entiende la densidad de flujo magntico o inductancia magntica o polarizacin magntica remanente, que persiste en ciertos materiales despus de haber desaparecido el campo magntico al que fueron expuestos, ste vara dependiendo del material.En el caso de los aceros, el valor del magnetismo residual puede ser muy pequeo,del orden de algunos nT a mT. Centralizador de acero Sensor de medicin de flujo axial3. Fundamentos de Magnetismo Induccin magntica B en la materia:Cuando se coloca un material en un campo magntico H, el material bajo prueba puede ser atrado por la regin intensa del campo bien repelido por ste. Esto significa que en el material se induce un campo magntico B, llamado tambin induccin magntica o densidad de flujo magntico, el cual interacciona con el campo externo H. B = o(H + M) = oH + Jdonde: B =densidad de flujo magntico, en tesla T (Wb/m2),o cte. magntica =4t x 10-7, en Wb/AmM =magnetizacin inducida, en A/mJ=polarizacin magntica inducida, en tesla TH =intensidad del campo magntico externo, en A/m. Susceptibilidad magntica_:Es un propiedad caracterstica de los materiales, la cual podemos definir como la razn entre la magnetizacin inducida en el material, o polarizacin magntica, y la intensidad del campo magntico H, al cual esta sujeto dicho material. Puede interpretarse como una medida de la facilidad que presenta un material ha ser magnetizado por un campo magntico externo H:M = _ H Susceptibilidad relativa _ = M / HJ= _ H Susceptibilidad absoluta _ = J/ H(en Wb/Am)MHMH Permeabilidad magntica :Se puede definir como la relacin entre el campo de induccin magntica B y la intensidad de campo magntico H:B = o(H + M) = o(1 + _)HB = H [en tesla, T]donde: = o(1 + _) permeabilidad magntica absoluta [en Wb/Am], y/o= (1+) = r permeabilidad magntica relativa [sindimensiones]- Clasificacin Magntica de materiales:Los materiales pueden clasificarse magnticamente, segn el valor de su susceptibilidad magntica(_ =M / H), en tres grupos principales:- Materiales Diamagnticos: < 0 (Ejemplos:H2O, Ag, Au, Cu, C, Pb y el petrleo)- Materiales Paramagnticos: > 0(Ejemplos: Al, O, K)- Materiales Ferromagnticos: (Ejemplos: Fe, Co, Ni)las propiedades magnticas de los materiales dependen de su estructura electrnica y de los movimientos propios de los electrones: movimiento orbital y de spin. Materiales Diamagnticos: _ < 0Este tipo de materiales se caracteriza por presentar una susceptibilidad negativa. El diamagnetismo es debido al movimiento orbital de los electrones. Bajo la accin de un campo magntico externo H, se induce en el material un cambio en el movimiento orbital de sus electrones, de tal manera que los momentos magnticos asociados a las corrientes as inducidas, producen una magnetizacin = 0, muy pequea. MH Materiales Paramagnticos: _ >0Los materiales paramagnticos se caracterizan por tener una susceptibilidad positiva, relativamente pequea . Son materiales cuyos tomos presentan dos caractersticas esenciales: (1) capas electrnicas parcialmente llenas, y como consecuencia de esto, (2) un momento magntico resultante distinto de cero. Bajo la accin de un campo magntico externo H, los momentos magnticos de los tomos tienden a alinearse en la direccin del campo (ver Fig.), resultando as una magnetizacin M = 0.MH Materiales Ferromagnticos: _ A nivel microscpico estos materiales presentan una alineacin paralela espontnea, de sus momentos magnticos atmicos en ausencia de campo. Presentan una curva caracterstica de B en funcin de H, B(H), llamada CICLO DE HISTERESIS, la huella digital de los materiales ferromagnticos.BHcHBrBr, induccin magntica remanente o residual, es el valor de B a H =0,Ejemplos: Fe, Co, Ni y aleaciones con elementos de tierras raras, como el Nd.4. Necesidades metrolgicas detectadas:Necesidad Industria o SectorMedicin de magnetismo residual.AutopartesMetal-mecnicaAeronuticaCalibracin de magnetmetros, para la medicin de magnetismo residual.Capacitacin para realizar buenas prcticas de medicin de magnetismo residualPor ejemplo, en la Industria de Autopartes y Aeronutica:Existe la necesidad de medir el magnetismo residual en partes automotrices y trenes de aterrizaje, que han sido sujetas a campos magnticos, para la deteccin de fisuras por partculas ferromagnticas, para el cumplimiento de normas internacionales y el aseguramiento dela calidad de sus productos.5. Por qu es importante medir el magnetismoresidual?Para contribuir a asegurar el buen funcionamiento de sistemaselectromecnicos, donde partes o piezas de acero son fundamentales.Para el control de calidad del proceso de fabricacin de piezas de acero.Para asegurar la calidad de productos y cumplir con los requerimientos del sistema de calidad, implantados en cada industria.Para cumplir con normas nacionales e internacionales ypoder vender y exportar productos. Medir bien, para contribuir al aseguramiento de la calidad de los productos, implica: Tener conocimiento del material, cuya propiedad magntica se quiere medir. Tener conocimiento de la magnitud o propiedad magntica del material, que se quiere medir o determinar su valor. Conocer los factores de influencia que pueden afectar el o los resultados de una medicin. Determinar y conocer el equipo ms adecuado para realizar las mediciones. Contar con patrones o instrumentos de medicin calibrados, para hacer correcciones por el error de medicin del instrumento utilizado. Contar con mtodos de medicin validados.6. Consideraciones prcticas en las mediciones de magnetismo residuali. Magnetmetros utilizados, sus especificaciones y principios de medicin.ii. Mtodo de medicin y cuidados que se requieren en la realizacin de las mediciones.Magnetmetros digitales y analgicos usadosen las mediciones de magnetismo residual AnalgicoMagnetmetro FluxgateEfecto HallMagnetmetro analgicoVentajasRepetibilidadRpida respuestaBajo costoFcil de usarFcil de transportarCompactoNo requiere acceso-rios adicionalesDesventajasBaja resolucinSensible a impactosPerodo decalibracin cortoMide slo campos magnticos B continuosMagnetmetros de efecto HallBPrincipio del efecto HallVHallIPrincipio de medicin de la densidad de flujo magntico usando un sensor HallImportancia del posicionamiento del sensor HallCorrecta colocacin de la sonda y del sensor de medicinrespecto a la direccin de las lneas de flujo magnticoEl magnetmetro de efecto Hall requiere de una cmara de campo cero, para cancelar el campo magntico B ambiental y ajustar el cero del instrumento. Se debe cuidar de no exponer la cmara de campo cero, a campos magnticosintensos ya sta puede llegar a magnetizarse.Cmara de campo ceroSondas Hall con sensor para medir flujo magntico transversalLWAL= 101.6 mmW =4.6 mmA = 3.81 mmMaterial del vstago: AluminioFrecuencia de operacin: Campos magnticos continuosIntervalo de medicin: 30 mT a 3TTemperatura de operacin: 0C a 75CL= 101.6 mmW = 3.6 mmA = 3.81 mmLWAMaterial del vstago: Epoxi vidrio rgidoFrecuencia de operacin: Campos magnticos continuos y alternos de 10 Hz a 40 HzIntervalo de medicin: 3 mT a 3TTemperatura de operacin: 0C a 75CLos dos principales factores que limitan la exactitud de los magnetmetros de efecto Hall1. Temperatura2. LinealidadMagnetmetro tipoMagnetmetro tipo Fluxgate FluxgateCaractersticas tcnicasa) Intervalo de medicinde 0.1 nT a 2 mTb) Resolucin de 0.1 nTc) Sensa la direccin de las lneas de flujo magnticod) Ancho de banda desde corriente continua hasta 10 Hze) Posee sondas robustas y compactas para medir flujo axial y transversalf) Es porttil y cmodo para realizar mediciones en cualquier lugarg) Puede emplearse en un amplio intervalo detemperaturas (-10 a 50) C.h) No posee mecanismo para compensar el campo magntico B ambiental, por loque se requiere hacer correcciones al resultado final.Magnetmetro tipoMagnetmetro tipo Fluxgate Fluxgate6. Consideraciones prcticas en las mediciones de magnetismo residuali. Magnetmetros utilizados, sus especificaciones y principios de medicin.ii. Mtodo de medicin y cuidados que se requieren en la realizacin de las mediciones.1.- Se deben identificar, en el material bajo medicin, la posicin de los puntos donde se realizarn las mediciones de magnetismo residual 2.54 cm2.54 cmNEOS2.- Sin tener la presencia del material sujeto a medicin, se orienta el sensor de medicin para tener la menor influencia del campo magnticoB ambiental, en las mediciones de magnetismo residual .El campo magntico, B ambiental, se mide antes y despus de realizar las mediciones de magnetismo residual . B ambiental=( B ambiental antes +B ambiental despus) / 2Medicin de campo magntico ambientalPara estas mediciones se coloca el sensor en la posicin de inters, en laposicin de referencia donde se midi el mnimo campo magntico ambiental(Direccin: este-oeste)Campo magntico de la TierraMagnetmetro de referenciatipo FluxgateEquipo de medicin: Equipo de medicin:3.- La componente radial de magnetismo residual se mide posicionando la sonda demedicin del magnetmetro, en contacto fsico, con los puntos del material bajomedicin donde se realizarn las mediciones de magnetismo residual. Para no perder lareferencia del mnimo campo magntico ambiental, la sonda de medicin se mantienefija, con un soporte no magntico y el posicionamientos de los puntos de medicin serealiza girando o moviendo la pieza o material a medir.Medicin de magnetismo residual usando un magnetmetro analgico7. Prcticas de medicin de magnetismo residual y anlisis de las mediciones.i. Determinacin de las principales fuentes de error y de incertidumbre en las medicionesii.Trazabilidad de las medicionesObjetivo : Que el participante aprenda el procedimiento para realizar mediciones de magnetismo residual, identificando las principales fuentes de error y de incertidumbre que influyen enlas mediciones. Equipo y material:1 magnetmetro, con sensibilidad suficiente para medir campos magnticos del orden de militeslas (mT) .Muestra o material de acero a medirDesarrollo de la prctica :Prctica:Medicinde magnetismo residual en una pieza de acero1.- Se deben identificar con alguna marca, en el material bajo medicin, lalocalizacin de los puntos donde se realizarn las mediciones de magnetismoresidual. Es necesario determinar mediante coordenadas los puntos demedicin y realizar una descripcin lo ms precisa posible de su ubicacin,para determinar el mensurando.2.54 cm2.54 cmEjemplo de cmo identificar los puntos de medicinNEOS2.- Sin tener la presencia del material sujeto a medicin y teniendo cuidado de no tener cerca del lugar de medicin ningn objeto metlico que pueda afectar nuestras mediciones, se orienta el sensor de medicin para tener la menor influencia del campo magnticoB ambiental en las mediciones de magnetismo residual .Se realizarn6 mediciones de campo magntico, B ambiental, y se registranen la tabla que aparece a continuacin, en la columna titulada Bambiental antesRegistro de medicionesLectura Lectura BB ambiental antes ambiental antes((TT ))BBposicin posicin 11((T) T)BB ambientaldespus ambientaldespus(( TT ))112233445566Promedio Promedio3.-Teniendo el magnetmetro encendido y sin mover la sonda de medicin, para noperder la referencia del mnimo campo magntico ambiental, se acerca la pieza omaterial sujeta a medicin a la sonda del magnetmetro, la cual debe estar fija conayuda de algn soporte de material no magntico. Se mide la componente radial demagnetismo residual posicionando la sonda de medicin del magnetmetro, en contactofsico, con el punto del material bajo medicin donde se realizarn las mediciones demagnetismo residual. Se realizan 6 mediciones de campo magntico B y se registranenla tabla, en la columna con ttulo Bposicin 1.4.- Se retira la pieza o material sujeto a medicin y se mide nuevamente el campo magntico ambiental. Se realizan 6 mediciones y se registran en latabla, en la columna titulada Bambiental despus.Anlisis de las mediciones, determinacin del valor del campo magnticoAnlisis de las mediciones, determinacin del valor del campo magntico residual, identificacin de las fuentes de error y de incertidumbre queresidual, identificacin de las fuentes de error y de incertidumbre que afectan las mediciones afectan las mediciones1) Determinar el mensurando, Qu voy a medir?2.- Hacer una lista de las posibles fuentes de error y de incertidumbre, que puedan influir en el mensurando3.-Expresar mediante un modelo matemtico al mensurando, el cualdebe incluir las magnitudes de influencia) X ..., X X ( f YN 2 1+ + =4.- Determinacin del valor del mensurando Fuentesde incertidumbre Valor estimado Dispersinde las mediciones de magnetismo residual(Bposicin1)Resolucin del magnetmetro (Bposicin1)Error de medicin del magnetmetro (Bposicin1)Dispersinde las mediciones de magnetismo ambiental(Bambiental)Resolucin del magnetmetro (Bambiental)Error de medicin del magnetmetro (Bambiental)Campo magntico residual corregido: Bresidual corregido = Bposicin 1 BambientalBposicin1 : __________ TBambiental:___________ T;Bambiental=(Bambiental antes +Bambiental despus) / 2ii. Trazabilidad de las mediciones de magnetismo residual La trazabilidad de las mediciones de magnetismo residual, a los valores de los patrones nacionales correspondientes, se aseguraen primer lugar, calibrando el magnetmetro a utilizar y en segundo lugar, corrigiendo las mediciones realizadas con el magnetmetro, con el error de medicin de ste, que es reportado en el certificado o informe de calibracin.NOTASNota 1: Este trabajo ha sido desarrollado conrecursos del gobierno federal de Mxico.Slo se permite su reproduccinsinfines de lucro y haciendo referencia a lafuente.Nota 2: En este documento puedenaparecer marcas comerciales nicamentecon finesdidcticos y a fin de lograr un entendimientoclaro de las tcnicas y procesosdescritos . En ningncaso esta identificacinimplica recomendacin o aval delCENAMo de alguna otra institucin del gobierno federal de Mxico, ni tampocoimplica que los equipos o materiales identificados seannecesariamentelosmejores para el propsito para el que son usados. El CENAMy las demsinstituciones no tienencompromisos con ninguna marca comercial en particular.