ES2294924B1 - Metodo y aparato para medir la conductividad electrica asi como para efectuar una caracterizacion estructural y dimensional de muestras metalicas cilindricas por tecnicas inductivas. - Google Patents
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Abstract
Método y aparato para medir la conductividad eléctrica así como para efectuar una caracterización estructural y dimensional de muestras metálicas cilíndricas por técnicas inductivas. Método para medir la conductividad eléctrica así como para efectuar una caracterización estructural y dimensional de muestras metálicas cilíndricas por técnicas inductivas utilizando un aparato que comprende un puente LCR de frecuencia variable o cualquier otro medidor capaz de detectar diferencias de fase entre dos señales alternas, una primera bobina inductora, al menos una segunda bobina sensora que se dispone dentro de la primera bobina inductora, el material problema, que se encuentra colocado entre la primera bobina inductora y la segunda bobina sensora y un elemento que registra la frecuencia y la corriente de la bobina inductora así como el voltaje inducido en la bobina detectora.
Description
Método y aparato para medir la conductividad
eléctrica así como para efectuar una caracterización estructural y
dimensional de muestras metálicas cilíndricas por técnicas
inductivas.
La presente invención hace referencia a un
método y un aparato para medir la conductividad eléctrica aplicable
a tubos conductores no magnéticos así como a la caracterización de
materiales metálicos magnéticos y no magnéticos, por técnicas
inductivas.
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La medida precisa de la conductividad eléctrica
en materiales conductores no es sencilla. Por lo general se
requiere del uso de métodos como el de cuatro puntas, en el que es
necesario establecer unos puntos físicos de unión o contactos sobre
muestras de geometría muy simple. Esos contactos, muchas veces
formados por resinas conductoras de plata, resultan críticos a la
hora de efectuar la medida y limitan la precisión del resultado ya
que introducen alteraciones en la interfase
material-contacto, lo que afecta a la medida de la
conductividad. Además existen medidas especiales, como las de
materiales superconductores a baja temperatura, en la que no es
adecuado aplicar este tipo de métodos. Por esta razón se han
desarrollado diferentes técnicas que buscan medir la conductividad
eléctrica mediante métodos inductivos. Este tipo de técnicas
presenta la ventaja de rapidez y simplicidad, ya que carecen de la
necesidad de establecer contactos eléctricos y permiten la
detección en línea en materiales incluso a altas temperaturas.
Estas técnicas se basan en la aplicación de un
campo magnético sinusoidal cercano a la superficie del material a
analizar, que se genera por medio de una bobina inductora.
Dicho campo se ve afectado por la presencia del
material problema, siendo registrada esa alteración por medio de la
propia bobina inductora o por una segunda bobina acoplada
inductivamente a la primera.
Cuando la técnica emplea una única bobina para
inducir y detectar el cambio de impedancia generado por la
presencia del metal próximo a la bobina, las variaciones observadas
son muy pequeñas, a no ser que se empleen frecuencias muy elevadas,
lo que dificulta la posibilidad de obtener medidas precisas.
Sin embargo, la utilización de dos o más bobinas
permite obviar estos problemas y se incrementa la precisión de la
medida. No obstante, para obtener resultados precisos es necesario
alinear adecuadamente las bobinas.
Esto obliga a fijar la geometría de las bobinas
siendo necesario en ocasiones el ajuste o el desmontaje de las
muestras a analizar, dificultando y retrasando el proceso de
medida.
Todos estos problemas se ven solucionados en la
presente invención, ya que en ella se describe una técnica y un
aparato de medida basado en métodos inductivos en el que
prácticamente no existe limitación por el alineamiento de las
bobinas, ya que la conductividad y las características del metal se
determinan midiendo simplemente la variación de un ángulo de fase,
lo que permite realizar medidas precisas y rápidas sin necesidad de
desmontar y montar constantemente el dispositivo y las muestras a
medir. Además, la utilización de corriente alterna de baja
frecuencia simplifica y abarata los elementos de medida
empleados.
\vskip1.000000\baselineskip
En un primer aspecto la presente invención se
refiere a un aparato (en adelante aparato de la invención) para
medir la conductividad eléctrica de materiales metálicos no
magnéticos con geometría cilíndrica hueca (en adelante muestra
problema) de forma inductiva que comprende:
- a.
- un puente LCR de frecuencia variable o cualquier otro medidor capaz de detectar diferencias de fase entre dos señales alternas, que incluye, sin carácter limitante a lock-in, osciloscopio o analizador de redes.
- b.
- una primera bobina inductora.
- c.
- al menos un segunda bobina sensora que se dispone dentro de la primera bobina inductora, y acoplado inductivamente a la primera bobina, siendo la disposición no limitante para la medida de la conductividad.
- d.
- el material problema, que se encuentra colocado entre la primera bobina inductora y la segunda bobina sensora y
- e.
- un elemento que registra la frecuencia y la corriente de la bobina inductora así como el voltaje inducido en la bobina detectora.
En un segundo aspecto de la presente invención
se refiere al método de medida (en adelante método de la invención)
de la conductividad eléctrica sin contactos de materiales metálicos
no magnéticos con forma cilíndrica hueca utilizando el aparato de
la invención que comprende las etapas de:
- a.
- situar la muestra problema entre la primera bobina (inductora) y la segunda bobina (detectora),
- b.
- aplicar una corriente alterna típicamente comprendida, aunque sin carácter limitante, entre 10 Hz y 10 kHz y medir el voltaje inducido en la segunda bobina, teniendo en cuenta que el material problema debe tener unas paredes con un espesor claramente inferior a la profundidad de penetración por efecto "skin".
- c.
- medir el desfase entre el voltaje inducido y la corriente inductora en función de la frecuencia de la corriente inductora y efectuar una regresión lineal de la cotangente de ese desfase medido en función de la frecuencia.
En un tercer aspecto de la invención se refiere
al uso del aparato de la invención para determinar la geometría de
materiales metálicos no magnéticos de conductividad conocida con
forma cilíndrica hueca.
En un cuarto aspecto de la presente invención se
refiere al uso del método de la invención para medir las
características estructurales del material problema como son pero
sin limitarnos a la determinación de fracturas y grietas o análisis
de inhomogeneidades.
Un último aspecto de la invención se refiere al
uso del aparato de la invención para evaluar la presencia de
alteraciones en materiales magnéticos y no magnéticos que comprende
medir el desfase entre el voltaje inducido y la corriente alterna
en un rango de frecuencias comprendido entre 10 Hz y 1 MHz y
efectuar un análisis en frecuencia de los resultados obtenidos
comparando las muestras problemas con muestras calibradas.
Otros aspectos referidos al aparato de medida
así como al método de medida se describen detalladamente a
continuación.
Fig. 1 Descripción esquemática del sistema de
medida propuesto en la invención. Donde 1 es la bobina inductora, 2
la bobina detectora, 3 es un puente LCR o medidor de fase análogo,
4 es el material problema y 5 es el sistema de adquisición y
registro de datos.
Fig. 2 Diagrama de los resultados obtenidos por
el sistema en la medida de un tubo de cobre; de la pendiente de la
recta se obtiene la conductividad del material con un resultado de
59,6x10^{6} S/m.
Los siguientes ejemplos y figuras sirven para
ilustrar pero no limitan la presente invención.
La realización de las medidas de conductividad
se efectúa en un sistema como el mostrado en la figura 1. Éste
comprende dos bobinas acopladas, una larga bobina inductora (1) que
envuelve el tubo problema y otra pequeña bobina detectora (2) que
se encuentra localizada dentro del tubo, a una distancia de su
borde de al menos cinco veces su radio. A través de la boina
inductora se hace pasar una corriente eléctrica alterna que es
ajustada en frecuencia e intensidad mediante un puente LCR o
medidor de fase análogo de frecuencia variable (3), esta corriente
alterna genera un voltaje inducido en la bobina detectora (2) que
depende de la naturaleza del material problema y su geometría (4).
Dicho voltaje se registra y almacena en un ordenador (5) que evalúa
los datos en tiempo real.
La medida de la conductividad se realiza
colocando la muestra problema, en el dispositivo de medida de
acuerdo a la figura 1, entre la bobina inductora y la
detectora.
El material problema debe tener unas paredes con
un espesor claramente inferior a la profundidad de penetración por
efecto "skin", lo que aconsejará sobre el intervalo de
frecuencias a utilizar.
Esta geometría simplifica la resolución del
sistema, evitando realizar una constante realineación de las
bobinas. Ello permite trabajar con piezas de diferentes tamaños sin
necesidad de desmontarlas.
Colocada la muestra, las medidas de
conductividad se efectúan aplicando una corriente eléctrica alterna
a través de la bobina inductora, barriendo en un rango de
frecuencias que comprende típicamente, pero no se limita,
entre
10 Hz y 10 kHz.
10 Hz y 10 kHz.
De este modo se induce un campo eléctrico que
produce un voltaje en la bobina detectora, el cual depende de la
frecuencia de la corriente inductora, de la conductividad y de la
geometría del material problema.
A partir de los datos obtenidos y representando
la cotangente del ángulo de desfase existente entre el voltaje
inducido y la corriente inductora frente al rango de frecuencias en
el que se tomaron dichos ángulo, se obtiene una recta cuya
pendiente es proporcional a la conductividad y permeabilidad
magnética del material (es decir, prácticamente la del vacío) e
inversamente proporcional al factor geométrico de la muestra
problema. A partir de aquí y teniendo en cuenta que es conocida la
permeabilidad magnética del vacío y que el factor geométrico para
las muestras problema es:
siendo D el diámetro externo del
tubo y d el diámetro interno, que son también conocidos, se
determina la conductividad
\sigma.
Para tubos en los que
(D-d)/d\leq0.1, el factor geométrico puede
aproximarse con una tolerancia mejor que 8\times10^{-4} por la
expresión más simple:
La determinación del calibre de las muestras
problema cuya conductividad se conoce, se realiza de forma similar
a la medida de la conductividad. Así, utilizando la pendiente de la
recta obtenida de la cotangente del ángulo de desfase en función de
la frecuencia, calculada de igual forma que en el ejemplo anterior,
se puede obtener el factor geométrico, del que se puede derivar el
calibre o grosor de pared de la muestra problema.
La determinación de las características
estructurales puede derivarse de la conductividad medida en
materiales problema cuya conductividad y geometría se conocen. De
esta forma, a partir de los datos obtenidos de forma similar al
experimento 1, es posible determinar la conductividad del material
la cual se ve afectada por la presencia de inhomogeneidades, como
por ejemplo óxidos, grietas de fabricación, fisuras por fatiga,
muescas, fracturas, corrosión, etc., que provocan descensos en la
conductividad cuando se compara con el valor de referencia.
Al objeto de efectuar esta comparación, cuando
no se desea una medida absoluta de conductividad debe operarse a
frecuencias mayores (típicamente hasta 1 MHz) utilizando dos
bobinas detectoras idénticas en oposición de fase y midiendo el
voltaje inducido en el conjunto. Estas bobinas pueden estar
introducidas en el tubo problema o una en él y la otra en un tubo
patrón. El análisis en frecuencia (eddyscope) de los resultados
obtenidos, la simulación numérica del problema y la comparación con
muestras calibradas permiten hacer la determinación de las
características estructurales de la muestra problema.
Claims (4)
1. Aparato para medir la conductividad eléctrica
de muestras metálicas cilíndricas por técnicas inductivas: que
comprende:
- a.
- un puente LCR de frecuencia variable o cualquier otro medidor capaz de detectar diferencias de fase entre dos señales alternas.
- b.
- una primera bobina inductora.
- c.
- al menos un segunda bobina sensora que se dispone dentro de la primera bobina inductora, y acoplado inductivamente a la primera bobina, siendo la disposición no limitante para la medida de la conductividad.
- d.
- el material problema, que se encuentra colocado entre la primera bobina inductora y la segunda bobina sensora y
- e.
- un elemento que registra la frecuencia y la corriente de la bobina inductora así como el voltaje inducido en la bobina detectora.
2. Método para medir la conductividad eléctrica
de muestras metálicas cilíndricas por técnicas inductivas
utilizando el aparato de la reivindicación primera que comprende
las etapas de:
- a.
- situar la muestra problema entre la primera bobina (inductora) y la segunda bobina (detectora),
- b.
- aplicar una corriente alterna y medir el voltaje inducido en la segunda bobina,
- c.
- medir el desfase entre el voltaje inducido y la corriente inductora en función de la frecuencia de la corriente inductora y efectuar una regresión lineal de la cotangente de ese desfase medido en función de la frecuencia.
3. Método para efectuar una caracterización
dimensional de muestras metálicas cilíndricas por técnicas
inductivas utilizando el aparato de la reivindicación primera que
comprende las etapas de:
- a.
- situar la muestra problema entre la primera bobina (inductora) y la segunda bobina (detectora),
- b.
- aplicar una corriente alterna y medir el voltaje inducido en la segunda bobina,
- c.
- medir el desfase entre el voltaje inducido y la corriente inductora en función de la frecuencia de la corriente inductora; efectuar una regresión lineal de la cotangente de ese desfase medido en función de la frecuencia, obtener el factor geométrico de la muestra y derivar su calibre o espesor.
4. Método para efectuar una caracterización
estructural de muestras metálicas cilíndricas por técnicas
inductivas utilizando el aparato de la reivindicación primera, que
comprende las etapas de:
- a.
- Medir el desfase entre el voltaje inducido y la corriente alterna en un rango de frecuencias comprendido entre 10 Hz y 1 MHz y
- b.
- Efectuar un análisis en frecuencia de los resultados obtenidos comparando las muestras problemas con muestras calibradas.
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