Dispositivo y Sistema de medición de inhomogeneidades en elementos ferromagnéticos.

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se refiere a un dispositivo y sistema de medición de inhomogeneidades en elementos ferromagnéticos a través de la detección de fluctuaciones de conductividad eléctrica y permeabilidad magnética por medio de barrido magnético

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las propiedades electromagnéticas de los elementos ferromagnéticos son dependientes de las características eléctricas y magnéticas de los elementos afectados y de su estado. Así, las texturas cristalinas, las fases cristalizadas, el grado de oxidación, las tensiones residuales, los defectos como son los cúmulos de dislocaciones y bandas de deslizamiento, constituyen propiedades físicas que definen el estado local de un elemento ferromagnético. Cualquiera de estas propiedades físicas afecta o puede afectar al valor de las propiedades metálicas y ferromagnéticas de dicho elemento, que resultan esenciales para definir su comportamiento electromagnético.

Estas propiedades electromagnéticas son definidas por la permeabilidad magnética y la conductividad eléctrica.

Para aplicar métodos de análisis de dichas propiedades electromagnéticas es preciso contar con un campo magnético, continuo o alterno, aplicado sobre una muestra del material ferromagnético a analizar, junto con una bobina o conjunto de bobinas que actúan como secundarios, las cuales se ven afectadas por el campo aplicado, generando unas corrientes eléctricas inducidas.

El flujo del campo magnético que circula a través de una bobina, producido por la imanación de la muestra de material ferromagnético, es máximo cuando la bobina está arrollada en torno a ella.

Esta configuración es poco práctica ya que una auscultación completa de una muestra de material ferromagnético requeriría arrollar bobinas en torno a dicha muestra, por lo que se necesitaría mucho tiempo para la realización de una sola medida, lo que haría inviable la auscultación de muestras de grandes o moderadas longitudes.

DESCRIPCION DE LA INVENCIÓN

El dispositivo y sistema de la invención resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta en base a una solución sumamente eficaz.

Para ello, y de forma más concreta, el dispositivo y sistema de la invención está basado en la influencia de la permeabilidad y la conductividad en el efecto de apantallamiento electromagnético de una muestra.

Para ello, se cuenta con dos bobinas, una denominada primaria generadora de un campo magnético y otra denominada secundaria receptora de dicho campo magnético atenuado por el efecto de apantallamiento electromagnético de la citada muestra, que se encuentra entre ambas bobinas.

Las principales características de este dispositivo y sistema son las siguientes:

1 . Elimina la necesidad de arrollar hilo conductor en torno a la muestra.

Permite eludir la dificultad señalada asociada al lento proceso de arrollamiento de la bobina secundaria en torno a este elemento a medir.

El dispositivo y sistema consiste en medir el apantallamiento que produce la muestra sobre un campo magnético que actúa sobre un lado de ella y que hace disminuir muy acusadamente el valor del campo al otro lado. Una bobina primaria produce un campo magnético al ser recorrido por una corriente eléctrica y su valor de intensidad de campo va disminuyendo a medida que nos alejamos de la bobina primaria.

Supongamos que a una distancia z=1 de la bobina primaria, medida según su eje, la componente axial del campo ha disminuido un factor a (<1 ) respecto a su valor en el eje de la bobina, en z=0. Si ahora introducimos un elemento entre ambos puntos, el valor del campo habrá disminuido un factor a*(«a). Se define el factor de apantallamiento como el cociente Y=a7a. Este factor depende de la permeabilidad magnética de la muestra cuando el campo aplicado por la bobina primaria es constante, esto es, cuando la corriente que recorre la bobina primaria para producir el campo es continua. En el caso de que la corriente sea alterna, el apantallamiento depende de la permeabilidad magnética, la conductividad eléctrica y la frecuencia del campo, que es la de la corriente que lo crea.

2. Elimina el problema de la dependencia de la corriente eléctrica inducida con la distancia de la bobina detectora o secundaria a la muestra, permitiendo auscultar largas longitudes sin que las inevitables fluctuaciones de la posición de la muestra respecto a las bobinas afecten la medida.

La teoría del campo electromagnético, a través de las ecuaciones de Maxwell, permite escribir las ecuaciones diferenciales de las que pueden derivarse las expresiones del apantallamiento en función de los parámetros electromagnéticos relevantes de la muestra.

Es preciso considerar que la utilización de bobinas externas a la muestra como detectoras de variaciones de flujo magnético, si bien elimina la necesidad de arrollamiento en torno al elemento, no puede superar la dificultad asociada con que cualquier variación milimétrica de la distancia bobina-muestra generará variaciones de la corriente inducida mucho mayores que las debidas a posibles fluctuaciones de las propiedades electromagnéticas que son las que se desean medir. A estos efectos, el dispositivo cuenta con equipamiento de instrumentación y procesamiento de señales eléctricas, que mide el voltaje generado por las corrientes inducidas en la bobina secundaria, señal que es procesada a su vez mediante detección síncrona por un amplificador de detección síncrona (denominado “locking amplifier”), técnica de procesamiento de señales heterodino, midiendo el voltaje de la señal de misma frecuencia generada en la bobina primaria, a fin de eliminar ruidos producidos por las ondas electromagnéticas presentes en el ambiente donde se realiza el análisis de la muestra, o de otros orígenes. Así, en la presente invención se utilizan un par de bobinas, una primaria recorrida por una intensidad de frecuencia 1 KHz y otra secundaria que recoge la señal inducida, separadas una distancia fija L y situadas a ambos lados de la muestra, cómo se indica en la Figura 1 .

L=2h+d

Siendo (d) el espesor de la muestra y (2h) la longitud de aire contenida en (L).

La solución de las ecuaciones de Laplace (aire) y Poisson (muestra) del potencial vector que verifica las condiciones de contorno permiten inferir el valor del apantallamiento que resulta.

Donde /Zr es la permeabilidad magnética de la muestra y

La cual depende de la frecuencia del campo, w, o frecuencia de la corriente que fluye por la bobina primaria, así como de la conductividad eléctrica de la muestra, o.

Como se observa, el apantallamiento es proporcional a la permeabilidad magnética de dicha muestra.

De esta forma, se observa que la expresión del apantallamiento no depende de la posición relativa de la muestra respecto a las bobinas, supuesto que se conservan fijos el espesor de dicha muestra d y la distancia entre las bobinas L= 2h+d, siendo la constante 2h la longitud de aire contenida en L. Esta propiedad puede también expresarse diciendo que, mientras la autoinducción de una bobina colocada frente a un plano magnético y conductor depende de la distancia bobina -plano, la inducción mutua de dos bobinas separadas una distancia fija y que contienen una chapa metálica intermedia de espesor d, no depende de las distancias relativas de las bobinas al plano. De este modo se elimina el problema señalado anteriormente y las fluctuaciones en la posición relativa del plano respecto a las bobinas no afectan al apantallamiento, que es el parámetro que proponemos medir. Conviene añadir que este argumento es válido supuesto un valor de permeabilidad de la muestra constante.

Debido a las corrientes inducidas y al bajo valor relativo del campo real actuando sobre la muestra, que es suma del aplicado y del campo des-imanador transversal, la imanación puede considerarse en primer orden lineal con el campo y, por tanto, la permeabilidad efectiva resulta aproximadamente constante.

3. Es una técnica no invasiva hacia la muestra objeto de medida al evitar el contacto físico con la misma.

Al ser una técnica basada en cambios de impedancia mediante el uso de campos electromagnéticos, permite realizar las mediciones sin necesidad de establecer contacto físico con la muestra, tratándose por tanto de una técnica no invasiva.

En resumen, a partir del dispositivo y sistema descrito se consiguen las siguientes ventajas: a) Elimina la necesidad de arrollar hilo conductor en torno a la muestra. b) Elimina el problema de la dependencia del voltaje inducido con la distancia bobina detectora -muestra, permitiendo auscultar largas longitudes sin que las inevitables fluctuaciones de la posición de la muestra respecto a las bobinas afecten la medida. c) Se trata de una técnica no invasiva al evitar el contacto físico con la muestra.

En cuanto a la información obtenida de las medidas, cabe destacar que, los parámetros electromagnéticos dependen de forma compleja del estado del elemento. Por ejemplo, las tensiones residuales cambian la anisotropía magnética (magnetosthcción) y, por tanto, la permeabilidad magnética, lo que se reflejará en un cambio de la imanación producida por el campo aplicado en esa zona, respecto a la que se produce en una zona no sometida a esa tensión. Un exceso de oxidación superficial generará una disminución de la conductividad eléctrica respecto a la que posee una zona menos oxidada. Consecuentemente, una medida continua del valor del apantallamiento a lo largo de la muestra nos suministra información directa e inmediata de las fluctuaciones de las propiedades electromagnética e indirectamente del estado del elemento.

Asó, por ejemplo, el presente dispositivo y sistema puede aplicarse para la inspección de los rieles de acero de una vía ferroviaria, desplazando el dispositivo a lo largo de la vía. Adicionalmente, los parámetros a medir se consideran muy útiles a la hora de determinar los efectos que producen el pandeo de la vía. El pandeo de la vía ocurre cuando las fuerzas de compresión, inducidas por la variación térmica, la fluencia y las cargas dinámicas del vehículo producen una carga de pandeo lateral que excede las fuerzas de restricción pasivas proporcionadas por la estructura de la vía. Antes de producirse el pandeo, la distribución de las tensiones del área de la sección transversal del carril es casi uniforme, y la medición de estas tensiones proporciona una estimación muy precisa de la fuerza, P, creada por la variación de temperatura. La estimación de esta fuerza es esencial para comprender si la vía se está acercando al valor crítico, Pcri, en el que ésta pandea, por lo que se trata de una forma directa de establecer valores de seguridad o señales de alerta para la infraestructura. La medición de las tensiones en el carril ferroviario proporciona una visión muy valiosa de la tensión interna del mismo.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de planos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- Muestra un esquema de los elementos que componen un dispositivo y sistema de medición de inhomogeneidades en elementos ferromagnéticos de la presente invención.

La figura 2.- Muestra una vista en perspectiva del sistema de bobinas utilizados en el dispositivo de medida.

La figura 3.- Muestra una gráfica de las medidas realizadas en una vía de prueba de la figura 2, de 25 metros de longitud, con taladro de 3mm de diámetro en su centro. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

La presente invención es susceptible de muy diversas aplicaciones para los casos en los que se necesite realizar medidas en elementos ferromagnéticos tales como carriles de una vía ferroviaria, vigas y pilares de un edificio o nave, pilares metálicos recubiertos de hormigón, entre otros muchos elementos más.

En la Figura 2 se representa el sistema de bobinas descrito, aplicado específicamente al caso de un carril ferroviario.

A su vez, en la Figura 3 se muestran las medidas ya realizadas en una vía de prueba de 25 m de longitud que contiene un taladro de 3mm de diámetro en su centro.

Puede observarse como el dispositivo y sistema propuesto es sensible a la presencia de las traviesas, lo que aparte de ¡lustrar su sensibilidad, sugiere, como posible opción, la medida de la velocidad instantánea del tren.

También se observa como la presencia del orificio genera una acusadísima reducción del apantallamiento, más intensamente observable según nos aproximamos a los extremos de la vía.

El perfil de la medida mostrado es repetitivo en pruebas realizadas durante distintos días y a diferentes temperaturas, observándose exclusivamente un desplazamiento de la línea de base que pudiera corresponder a un cambio del valor medio de la tensión producido por diferencias de dilatación térmica de un día a otro.