ES2255388B1 - Sensor de microondas y metodo para medir la degradacion de los componentes fluidos de suelas de calzado. - Google Patents
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Abstract
Sensor de microondas y método para medir la degradación de los componentes fluidos de suelas de calzado. Sensor de microondas para suelas de calzado inyectadas, desarrollado específicamente para detectar el nivel de degradación de los componentes de dichas suelas en tiempo real y de manera no intrusiva. El sensor está basado en una cavidad resonante (1) cilíndrica parcialmente rellena por cuyo interior transita el fluido (6) a analizar a través de un conducto (7) de material poco absorbente a las microondas. Mediante una sonda eléctrica (11) se introduce energía en la cavidad resonante (1) y se excita el modo resonante de funcionamiento adecuado en la cavidad. La respuesta de la cavidad resonante varía según lo hacen las propiedades dieléctricas del fluido (6) que circula por su interior, produciéndose un desplazamiento de la frecuencia de resonancia, así como una variación del factor de calidad. La medida de estos parámetros electromagnéticos permite caracterizar las propiedades físico-químicas del fluido (6) circulante, monitorizando su degradación y actuando en su caso sobre una serie de alarmas.
Description
Sensor de microondas y método para medir la
degradación de los componentes fluidos de suelas de calzado.
La presente invención se refiere a un sensor de
microondas para suelas de calzado inyectadas, desarrollado
específicamente para detectar el nivel de degradación de los
componentes de dichas suelas en tiempo real y de manera no
intrusiva.
El objetivo de esta invención es implementar un
sensor no invasivo por microondas que permita la medida de las
propiedades dieléctricas de cada uno de estos componentes
circulando de forma continua por un conducto, de manera a que a
partir de estas propiedades se puedan detectar los cambios en las
propiedades físico-químicas de los fluidos,
determinando el grado de contaminación o deterioro que sufren y
pudiendo actuar en su caso sobre una serie de alarmas.
La fabricación de suelas inyectadas es un sector
muy importante dentro de la industria del calzado. Estas suelas
están formadas a partir de la mezcla y moldeado a alta temperatura
de varias sustancias fluidas que reaccionan entre sí formando un
material elástico en un proceso de polimerización/curado.
Un aspecto muy importante en la elaboración de
estos productos es la calidad o pureza de sus componentes (poliol e
isocianato). La calidad del producto final se ve seriamente
deteriorada por la posible contaminación de estos componentes,
llegando en ocasiones a invalidar completamente el producto final,
que en este caso tiene que ser desechado, lo que implica pérdidas
económicas considerables.
La degradación o contaminación típica que sufren
los componentes de suelas de calzado es la contaminación por agua,
que se debe a la absorción de la humedad ambiental. Sin embargo,
esta degradación con humedad no es la única que pueden sufrir, ya
que también pueden verse sometidos a otros procesos tales como
degradación por envejecimiento, uso de partidas de material
diferentes o contaminación por otros agentes, tales como restos de
productos de limpieza o similares.
Los sensores de microondas para la
monitorización de propiedades de fluidos que se encuentran
actualmente en el mercado en general están basados en la
utilización de tramos de conductos metálicos, por cuyo interior
circula el líquido, como estructuras resonantes completamente
rellenas del material que se pretende monitorizar. El uso de
cavidades completamente rellenas implica que el material esté en
contacto con la cavidad o con la red de excitación de la cavidad
(sonda eléctrica o lazo de corriente), dificultando e incluso
imposibilitando la medida en el interior de tubos herméticos.
La mayor parte de los sistemas de este tipo
están desarrollados para la industria del petróleo. Los sensores de
microondas utilizados en esta industria están, en general, basados
en guías de onda cilíndricas rellenas con el material a medir, o
bien se basan en cavidades cilíndricas completamente rellenas,
puesto que en esta aplicación no importa que se produzca contacto
entre el líquido y las paredes de las guías.
Por el documento ES 2160468 se conoce un
"Sistema para la medida y control de humedad de substancias
fluidas dieléctricas en tiempo real" que utiliza la energía de
microondas absorbida por un material dieléctrico al ser atravesado
por una radiación de este tipo, para estimar su contenido en agua.
La medida se realiza en tiempo real, sin interferir en el proceso
industrial en el cual está implicado el producto a medir. El sistema
está constituido por un conjunto emisor-receptor de
microondas de baja potencia en banda X, acoplado a ambos lados de
una cavidad rectangular a través de la cual circula el producto a
una velocidad controlada, cavidad que se llena completamente con el
producto cuya humedad se pretende
medir.
medir.
Sin embargo, en la industria del calzado no es
recomendable la utilización de este tipo de sensores, pues dada la
elevada reactividad de los componentes de las suelas, reaccionarían
fácilmente con las paredes de la cavidad resonante o con la red de
excitación.
Otro inconveniente muy importante relacionado
con el hecho de trabajar con cavidades completamente rellenas es
que su respuesta no seria perceptible en el caso de aplicarse al
sector de la industria del calzado, puesto que los materiales en
este sector presentan muchas pérdidas dieléctricas y no es posible
ajustar el grado de acoplamiento de la respuesta electromagnética
en este tipo de cavidades. Sin embargo, en el sector del petróleo
los materiales presentan bajas pérdidas y por tanto la respuesta en
una cavidad completamente rellena está mejor acoplada.
A la vista de lo anteriormente expuesto seria
recomendable desarrollar un sensor de microondas y un método que
permita conocer en tiempo real y de manera no invasiva el nivel de
degradación de los componentes de las suelas de zapato durante su
fabricación. No se conoce en el estado de la técnica actual ningún
desarrollo de sensor de microondas específicamente diseñado para la
industria del calzado.
Un primer aspecto de la invención se refiere a
un sensor de microondas para suelas de calzado inyectadas cuya
aplicación específica sea la de detectar el nivel de degradación de
los componentes de dichas suelas en tiempo real y de manera no
intrusiva. Es decir, se trata de conocer las propiedades
físico-químicas de los fluidos a partir de las
medidas electromagnéticas sobre ellos realizadas.
Debido a la elevada reactividad de los
componentes de las suelas de calzado y a las altas pérdidas
dieléctricas que presentan es aconsejable que el sensor de
microondas desarrollado para esta aplicación esté basado en la
utilización de cavidades parcialmente rellenas en las que el fluido
que se pretende medir no ocupe la totalidad del espacio de la
cavidad, sino únicamente una parte.
Frente al uso de cavidades completamente
rellenas, que implica que el material analizado esté en contacto
con la cavidad o con la red de excitación de la cavidad, el uso de
cavidades parcialmente rellenas posibilita o facilita la
monitorización no invasiva y no destructiva, ya que ésta puede
llevarse a cabo conservando los materiales en el interior de tubos
herméticamente cerrados y, por tanto, sin haber contacto físico
entre los mismos y la cavidad.
Asimismo, el hecho de trabajar con cavidades
parcialmente rellenas posibilita el ajuste del grado de
acoplamiento de la respuesta electromagnética frente al uso de
cavidades completamente rellenas, que en la aplicación que nos
ocupa no es aconsejable puesto que la respuesta no seria perceptible
debido a que los materiales utilizados en el sector de la industria
del calzado presentan muchas pérdidas dieléctricas.
El sensor de microondas para suelas de calzado
que se preconiza está basado en una cavidad cilíndrica resonante
parcialmente rellena por cuyo interior transita el fluido a través
de un conducto de material poco absorbente a las microondas,
penetrando por la cara superior de la cavidad y saliendo por la
cara inferior.
La cavidad cilíndrica resonante confina la
energía electromagnética en su interior, obteniéndose una
distribución del campo eléctrico que depende del tamaño y forma de
la misma, las características de los materiales situados en su
interior y la frecuencia de trabajo. De esta manera, conociendo el
tamaño y la forma de la misma y la frecuencia de trabajo, la
distribución del campo eléctrico será función de las
características de los materiales que están en su interior, en este
caso el fluido circulando a través del conducto del material
adecuado, como se verá más adelante. Esta cavidad resonante está
construida con un metal de alta conductividad eléctrica con el fin
de que confine la energía eléctrica en su interior. Dado que la
mayoría de los metales tienen una conductividad lo suficientemente
alta para esta aplicación, la elección del metal vendrá determinada
más bien por criterios puramente constructivos y económicos, tales
como facilidad de mecanización, peso, resistencia mecánica, coste,
etc. Metales utilizados normalmente para configurar cavidades
resonantes similares son el latón y el aluminio.
En cuanto a las dimensiones y la forma de la
cavidad resonante, éstas están diseñadas para que se produzca la
resonancia en la banda de frecuencia del generador cuando el fluido
se encuentra en el interior de la cavidad, circulando a través del
conducto de material poco absorbente a las microondas.
La razón de utilizar materiales poco absorbentes
a las microondas para configurar el conducto por cuyo interior
circula el fluido es impedir que su presencia altere las medidas
electromagnéticas efectuadas sobre el fluido que se analiza. Se
dice que un material es poco absorbente a las microondas cuando su
factor de pérdidas es muy pequeño, es decir la parte imaginaria de
la constante dieléctrica compleja tiene un valor muy bajo. La
mayoría de los materiales plásticos tienen pérdidas bajas por lo
que muchos de estos materiales podrían ser empleados. Algunos
ejemplos de materiales apropiados son el politetrafluoroetileno
(PTFE) y el polipropileno.
En las bocas de entrada y salida de la cavidad
cilíndrica resonante se colocan unas estructuras denominadas guías
al corte, que se implementan como parte de la estructura de la
cavidad resonante y están fabricadas con el mismo material que
ésta. Estas guías al corte, formadas por tramos de guía de onda
circular, tienen la finalidad de evitar la salida de radiación de
microondas al exterior, comportándose la cavidad como si estuviera
completamente cerrada, de manera que no se alteran las medidas
efectuadas sobre los fluidos en circulación.
La forma de introducir la energía en la cavidad
resonante es mediante una sonda eléctrica/lazo de corriente situada
de tal forma que excite el modo resonante de funcionamiento
adecuado en la cavidad. También es posible la utilización de un
puerto de entrada y otro de salida, realizándose en este caso
medidas en transmisión.
Una vez introducida la energía en la cavidad
resonante y estando el fluido circulando a través del conducto que
atraviesa la cavidad, la respuesta de esta cavidad variará en
función de las propiedades dieléctricas de dicho fluido.
Concretamente, se produce un desplazamiento de la frecuencia de
resonancia (f_{r}, frecuencia a la cual la estructura absorbe más
cantidad de energía) así como una variación del factor de calidad
(Q, ancho de banda de la resonancia). La medida de estos parámetros
permite caracterizar el fluido circulante, monitorizando su
degradación.
Para efectuar las medidas de los parámetros
electromagnéticos indicativos del grado de degradación de los
fluidos constitutivos de la suela son necesarios una serie de
circuitos electrónicos, básicamente un generador de señales de
microondas y un receptor. La localización de estos dispositivos
será en el exterior de la cavidad resonante y se conectan mediante
cable coaxial a dicha cavidad. La situación precisa de estos
circuitos no es critica a la hora de realizar las medidas, por lo
que dependerá de la configuración y espacio disponible en la
maquinaria de fabricación de las suelas.
El generador emite señales de microondas en la
banda de trabajo realizando un barrido de frecuencias para obtener
medidas en toda la banda. Otra opción más simple es la generación
de una señal de frecuencia fija en el entorno de la frecuencia de
resonancia, realizando medidas de detección de fase. También es
posible en este aspecto la utilización de un circuito FSA (circuito
realimentado de auto-oscilación) que realiza un
seguimiento de la frecuencia de resonancia de la cavidad, siendo en
este caso necesario utilizar puertos de entrada y salida en la
cavidad. Esta posible opción sólo permite realizar medidas de la
frecuencia de resonancia, pero no del factor de calidad.
Para separar la onda incidente desde el
generador de la onda reflejada en la cavidad resonante se utiliza
una red separadora, que puede ser un acoplador direccional o bien
un circulador. Esta red separadora se interpone entre el generador
y la cavidad, así como entre la cavidad y el receptor. De esta
manera se consigue que la señal que le llega al receptor no esté
afectada por la que el generador introduce en la cavidad
resonante.
El receptor está conectado tanto al generador
como a la cavidad resonante, estando esta última conexión realizada
a través de la red separadora, tal y como se ha mencionado. De esta
manera el receptor tiene como entradas la señal del generador y la
salida de la cavidad, pudiendo entonces comparar estas señales y
conocer así las propiedades dieléctricas del fluido circulante.
El receptor es del tipo superheterodino, cuyo
uso está muy extendido en ámbitos como las telecomunicaciones y el
radar, y está compuesto principalmente por osciladores, divisores,
mezcladores, filtros y detectores. Los detectores pueden ser de
varios tipos, tales como detectores de amplitud (de envolvente),
detectores de fase, que comparan la diferencia de fase entre dos
señales y detectores de módulo y fase (tipo I/Q, circuito que mide
la diferencia en amplitud y fase entre dos señales). Este último
tipo de receptor compara la amplitud y la fase de dos señales, en
este caso la señal de entrada del generador a la cavidad resonante
y la señal de salida de dicha cavidad, ofreciendo ambos resultados
a la salida. Dado que proporciona más información que los otros
tipos posibles de detectores, es el detector preferido para esta
aplicación. Como se ha comentado anteriormente, es posible utilizar
un circuito FSA como generador, siendo en este caso conveniente
utilizar como receptor un contador de frecuencia.
Como complemento al sensor de microondas se
incluye una unidad de proceso y control que se conecta a él y es
donde se procesa la medida obtenida acerca de las propiedades
dieléctricas del fluido que está siendo analizado. Esta unidad
genera unas órdenes de control para el proceso de medida y, en
función de los valores obtenidos en las mediciones, actúa sobre el
generador de señales microondas al cual está conectado. Asimismo, es
esta unidad la que caracteriza el fluido circulante, monitorizando
su degradación y actuando las alarmas cuando los valores medidos no
estén contenidos en el intervalo que se considera aceptable.
Una vez instalado el sensor en la maquinaria de
fabricación de las suelas para calzado, se conectan el generador y
el receptor a la cavidad resonante a través de la red separadora y
se ajusta el sensor para su funcionamiento según las
características concretas del fluido (poliol o isocianato). Los
parámetros que es necesario ajustar son básicamente la frecuencia
de trabajo del sensor y los umbrales de alarma a partir de los
cuales se considera que el fluido analizado no es apto para la
fabricación, permitiendo el ajuste de estos parámetros obtener la
máxima sensibilidad. Posteriormente se hace circular el fluido a
través del conducto que atraviesa de arriba abajo la cavidad
cilíndrica de resonancia, obteniendo los datos deseados en cuanto
al grado de degradación de los componentes.
Puesto que las suelas de zapato obtenidas por
inyección están formadas a partir de la mezcla de varias sustancias
fluidas, será necesario instalar en la planta industrial un sensor
para cada componente, asegurando así que ninguno de ellos está
degradado por humedad, envejecimiento o por contaminación por otros
agentes.
Otro aspecto de la invención se refiere a un
método para detectar en tiempo real y de manera no intrusiva el
nivel de degradación de los componentes fluidos que forman las
suelas de calzado inyectadas durante el proceso de fabricación de
las mismas.
Este método se basa en que para conocer los
parámetros físico-químicos que indican el nivel de
degradación de los fluidos que reaccionan entre sí formando un
material elástico en un proceso de polimerización/curado tras el
cual se obtiene la suela del zapato, se parte de las medidas de sus
propiedades dieléctricas obtenidas mediante un sensor de microondas
para suelas de calzado.
Para obtener dichas medidas de las propiedades
dieléctricas de cada uno de los fluidos, se hace que éste circule
por el interior de un conducto de material poco absorbente a las
microondas que atraviesa una cavidad resonante de arriba abajo. La
señal de microondas introducida por el generador de señales en la
cavidad resonante se refleja en su interior, variando en función de
las propiedades dieléctricas del fluido. El estudio de la señal
reflejada por la cavidad, captada por el receptor, permitirá
conocer las propiedades físico-químicas del fluido,
conociendo así el nivel de degradación del mismo.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Muestra un esquema de la cavidad
resonante en la que se aprecian las guías al corte, el conducto por
cuyo interior circula el fluido a analizar y la sonda eléctrica que
introduce la energía en el interior de la cavidad.
Figura 2.- Muestra un esquema general típico del
sensor por microondas.
Figura 3.- Muestra la respuesta en frecuencia de
la cavidad con el material puro en su interior y con el material
degradado.
A la vista de las figuras se puede observar en
las mismas un ejemplo de realización de la invención, que consiste
en un sensor de microondas para suelas de calzado inyectadas que
consta básicamente de los siguientes elementos: una cavidad
resonante (1), un generador de señales de microondas (2), un
receptor (3) y una red separadora (4).
El sensor está basado en una cavidad resonante
(1) cilíndrica parcialmente rellena, por cuyo interior transita el
fluido (6) a analizar a través de un conducto (7), penetrando por
la parte superior de la cavidad resonante (1) y saliendo por la
parte inferior. El hecho de que la cavidad resonante (1) esté
parcial y no completamente rellena hace posible que la toma de
medidas del fluido (6) se realice de manera no invasiva y no
destructiva, ya que ésta se lleva a cabo conservando dicho fluido
(6) en el interior de un tubo o conducto (7), asimismo, es posible
ajustar el grado de acoplamiento de la respuesta
electromagnética.
La cavidad resonante (1) confina la energía
electromagnética en su interior, obteniéndose una distribución del
campo eléctrico que depende del tamaño y forma de la cavidad, la
frecuencia de trabajo y las propiedades de los materiales
contenidos en su interior. Para que se confine correctamente la
energía electromagnética en su interior, la cavidad resonante (1) se
construye con un metal de alta conductividad eléctrica, siendo
válida la utilización una gran variedad de metales. La elección del
material constitutivo de la cavidad resonante (1) vendrá
determinada entonces por criterios puramente constructivos o
económicos, tales como facilidad de mecanización, peso, resistencia
mecánica, coste, etc. Normalmente, y por cumplir todos los
requisitos deseados, se emplearán latón y aluminio.
Como se ha adelantado y puede observarse en la
figura 1, el fluido (6) circula por el interior de un conducto (7)
que atraviesa la cavidad resonante (1). El material constitutivo
del conducto (7) debe ser poco absorbente a las microondas, de
manera que su composición no altere las medidas de las propiedades
dieléctricas del fluido (6) que lo atraviesa. Un material se dice
que es poco absorbente a las microondas cuando su factor de pérdidas
(parte imaginaria de la constante dieléctrica compleja) es muy
pequeña. Dadas las bajas pérdidas que tienen la mayoría de los
materiales de naturaleza plástica, muchos de ellos podrían ser
empleados para conformar el conducto (7), por ejemplo polipropileno
o politetrafluoroetileno (PTFE).
El conducto (7) penetra en la cavidad resonante
(1) por su cara superior, a través de la boca de entrada (8), y
atraviesa la altura "h" de la cavidad cilíndrica de
radio "a", saliendo de la misma por su cara inferior, a
través de la boca de salida (9). En las bocas de entrada y salida (8
y 9) se colocan unas estructuras llamadas guías al corte (10)
formadas por tramos de guías cilíndricas. Estas estructuras tienen
la finalidad de evitar la salida de radiación de microondas al
exterior, siendo su diámetro lo suficientemente pequeño como para
impedir la transmisión de energía a la frecuencia de trabajo,
comportándose la cavidad resonante (1) como si estuviera
completamente cerrada y confinándose así la energía electromagnética
en su interior. Las guías al corte (10) suelen implementarse como
parte de la estructura de la cavidad resonante (1), con el mismo
material metálico que ésta.
Las dimensiones de la cavidad resonante (1),
dadas por su radio "a" y su altura "h", así
como la relación de aspecto c/a, siendo
"c" el radio del conducto (7) por cuyo interior circula
el fluido (6), están diseñadas para que, cuando se encuentra el
fluido (6) en su interior se produzca la resonancia en la banda de
frecuencia del generador de señales de microondas (2). La relación
de aspecto c/a óptima depende de las características
del material y de la sensibilidad deseada. Una relación de aspecto
mayor que la óptima supone una mayor sensibilidad del sensor, que
tomará entonces medidas más precisas, en contrapartida implica una
mayor dificultad en la excitación de la cavidad resonante (1) para
materiales con elevadas pérdidas. Por lo tanto la optimización de
este parámetro es una elección de compromiso. Valores típicos para
esta aplicación concreta a la industria del calzado pueden ser
relacionados entre 0,1 y 0,3.
La introducción de la energía en la cavidad
resonante (1) se realiza mediante una sonda eléctrica (11) o un
lazo de corriente, situada de tal forma que excite el modo
resonante de funcionamiento adecuado en la cavidad. Este modo
resonante de funcionamiento adecuado es el que presenta un máximo de
campo eléctrico en la posición del material a monitorizar en el
interior de la cavidad resonante (1), obteniendo de este modo una
mayor sensibilidad y por tanto medidas más precisas. Un ejemplo
habitual es el modo TM010.
La situación de la sonda eléctrica (11)
determina la cantidad de energía que se introduce en la cavidad
resonante (1). Su posición idónea es eh un máximo de campo
eléctrico ya que de esta forma se acopla más cantidad de energía a
la cavidad resonante (1). Si la sonda eléctrica (11) se sitúa en un
punto de campo nulo, no se acoplará energía al interior de la
cavidad. La excitación de uno u otro modo resonante dependerá,
básicamente, de la frecuencia de trabajo y de las dimensiones
"a" y "h" de la cavidad resonante (1). En
el caso de que se trabaje en un rango de frecuencias que incluya las
de varios modos resonantes, la posición de la sonda hará que
predomine uno u otro modo resonante el la cavidad (aquel que tenga
el máximo de campo eléctrico en su posición). Es por esta razón por
la que la posición de la sonda eléctrica (11) depende de o
condiciona el modo resonante de trabajo. Este razonamiento anterior
es equivalente en el caso de utilizar un lazo de corriente para
introducir energía en la cavidad resonante (1) en vez de una sonda
eléctrica (1), con la salvedad de que en este segundo modo de
realización la posición idónea del lazo de corriente es en un
máximo de campo magnético en vez de en un máximo de campo
eléctrico.
En otro posible modo de realización de la
invención se pueden realizar medidas en transmisión, utilizándose
para ello dos sondas eléctricas en lugar de una sola sonda. De esta
forma, la energía se introduce en la cavidad por una primera sonda
eléctrica y se mide la energía transmitida hacia la segunda sonda
para obtener la respuesta de la cavidad resonante (1).
La respuesta de la cavidad resonante (1) variará
según lo hacen las propiedades dieléctricas del fluido (6) que
circula por el interior del conducto (7) que atraviesa la cavidad
resonante (1). Tal y como puede verse en la figura 3, en la que se
representa la respuesta en frecuencia de la cavidad resonante (1)
con el material puro en su interior y con el material degradado, al
variar las propiedades dieléctricas del fluido (6) se produce un
desplazamiento de la frecuencia de resonancia (f_{r}, frecuencia
a la cual la estructura absorbe más cantidad de energía) así como
una variación del factor de calidad (Q, ancho de banda de la
resonancia). La medida de estos parámetros permite caracterizar el
fluido (6) circulante, monitorizando su grado de degradación y
activando las alarmas en el caso de que el fluido (6) no se
considere apto para el proceso de polimerización/curado a partir
del cual se obtienen las suelas para calzado.
Los circuitos electrónicos que se utilizan para
efectuar estas medidas son fundamentalmente el generador de señales
de microondas (2) y el receptor (3), que se localizan en el
exterior de la cavidad resonante (1), conectándose mediante cable
coaxial ambos circuitos a dicha cavidad. La situación de estos
circuitos no es critica y dependerá por tanto de la configuración y
espacio disponible en la maquinaria de fabricación de las suelas de
calzado.
El generador de señales de microondas (3) emite
señales en la banda de trabajo, realizando un barrido de
frecuencias para obtener medidas en toda la banda. A efectos
prácticos, el estado de la técnica permite realizar implementaciones
industriales con un coste reducido entre 1 y 8 GHz. Una
implementación concreta podría, por ejemplo, componerse de un
generador de señales de microondas (3) realizando barridos de
frecuencia entre 2,3 y 2,6 GHz. La utilización de una banda u otra
de frecuencia implicará cambios en algunos componentes de los
circuitos electrónicos (generador de señales de microondas (2) y
receptor (3)) y en las dimensiones de la cavidad resonante (1)
("a" y "h"), pero siempre utilizando la
misma filosofía de funcionamiento.
Otro modo de funcionamiento más simple es aquel
en el que se realizan medidas de detección de fase. Para ello el
generador de señales de microondas (3) genera una señal de
frecuencia fija en el entorno de la frecuencia de resonancia en vez
de realizar un barrido de frecuencias como se ha expuesto
anteriormente. Alrededor de la frecuencia de resonancia se produce
una variación notable de la amplitud y la fase de la señal obtenida
como respuesta de la cavidad resonante (1), tal y como se representa
en la figura 3. El cambio de la frecuencia de resonancia debido al
cambio de las propiedades dieléctricas del fluido (6) analizado,
puede determinarse a partir de la amplitud y la fase de la señal
reflejada en la cavidad.
En otra posible realización de la invención es
posible la utilización de un circuito FSA (circuito realimentado de
auto-oscilación) en vez del generador de señales de
microondas (2) del tipo barrido de frecuencia. Este tipo de
circuito FSA está basado en formar un lazo de oscilación mediante el
uso de un amplificador y una cavidad resonante (1) con un puerto de
entrada y otro de salida. A la frecuencia de oscilación se ha de
cumplir que la ganancia del amplificador es mayor que la atenuación
debida al resto de componentes, produciéndose una oscilación
espontánea. Esta frecuencia coincide (o está muy próxima) con la
frecuencia de resonancia de la cavidad resonante (1). La limitación
de este tipo de circuitos es que solamente pueden realizar medidas
en un solo punto de frecuencia y no en una banda, por lo tanto se
obtendrán medidas de la frecuencia de resonancia del fluido (6),
pero no del factor de calidad Q.
En cuanto al receptor (3) de las señales de
microondas, éste será básicamente del tipo superheterodino,
compuesto principalmente por osciladores, divisores, mezcladores,
filtros y detectores. El receptor tiene dos entradas, una de ellas
es la señal que el generador de señales de microondas (2) introduce
en la cavidad resonante (1), y la segunda entrada es la señal
reflejada en la cavidad resonante (1) que se verá modificada en
función del grado de contaminación o degradación del fluido (6) que
la atraviesa.
Los detectores del receptor (3) pueden ser de
varios tipos, siendo el preferido un detector de módulo y fase
(tipo I/Q). Este tipo de detector es un circuito que mide la
diferencia de amplitud y fase entre dos señales, ofreciendo ambos
resultados a su salida. En otro modos de realización se podrán
utilizar detectores de amplitud (de envolvente), que comparan la
diferencia de amplitud entre dos señales, o detectores de fase, que
comparan la diferencia de fase entre dos señales. Puesto que el
detector de módulo y fase (tipo I/Q) proporciona más información
que los otros tipos, será el que se instalará preferiblemente en el
sensor de microondas para suelas de calzado, siendo en este caso
las señales comparadas la de entrada del generador de señales de
microondas (2) a la cavidad de resonancia (1) y la señal reflejada
en dicha cavidad. En el caso de que se utilice un circuito FSA como
generador, realización que se ha comentado con anterioridad, el
receptor (3) será básicamente un contador de frecuencia.
Para separar la onda incidente desde el
generador de señales de microondas (2) de la onda reflejada en la
cavidad resonante (1) se instala una red separadora (12), que tal y
como se observa en el esquema de la figura 2, se interpone entre el
generador de señales de microondas (2) y la cavidad resonante (1),
así como entre esta cavidad y el receptor (3). Esta red separadora
(12) puede consistir en un acoplador direccional o bien un
circulador. El acoplador direccional es un dispositivo de cuatro
puertos que se utiliza para separar las señales incidentes a la
cavidad resonante (1) de las reflejadas por ésta. Básicamente, lo
que hace es separar una pequeña parte de la energía de estas dos
ondas, incidente y reflejada, hacia otros dos puertos. En cambio,
un circulador, representado en la figura 2, es un dispositivo no
lineal que dirige prácticamente la totalidad de la energía entrante
por el puerto 1 (12) hacia el 2 (13), del 2 (13) hacia el 3 (14) y
del 3 (14) hacia el 1 (12). De esta forma, estando el generador de
señales de microondas (2) conectado al puerto 1 (12), la cavidad
resonante (1) al puerto 2 (13), y el receptor (3) en el puerto 3
(14), la señal del generador entrará íntegramente a la cavidad (1) y
la onda reflejada por ésta se desviará hacia el receptor (3).
Por último, y conectada a la salida del receptor
(3), la unidad de proceso y control (5) es donde se procesa la
medida obtenida acerca de las propiedades dieléctricas del fluido
que está siendo analizado. Esta unidad genera unas órdenes de
control para el proceso de medida y, en función de los valores
obtenidos en las mediciones, actúa sobre el generador de señales
microondas (2) al cual está conectado. Asimismo, es esta unidad la
que monitoriza la degradación de los componentes y actúa las
alarmas cuando los valores medidos no estén contenidos en el
intervalo que se considera aceptable.
Una vez instalado el sensor de microondas en la
maquinaria de fabricación de las suelas para calzado, se conectan
el generador de señales de microondas (2) y el receptor (3) a la
cavidad resonante (1) a través de la red separadora (4) y se ajusta
el sensor para su funcionamiento según las características
concretas del fluido (6), que puede ser, entre otros, poliol o
isocianato. Los parámetros que es necesario ajustar son básicamente
la frecuencia de trabajo del sensor y los umbrales de alarma a
partir de los cuales se considera que el fluido (6) analizado no es
apto para la fabricación, permitiendo el ajuste de estos parámetros
obtener la máxima sensibilidad. Posteriormente se hace circular el
fluido (6) a través del conducto (7) que atraviesa la cavidad de
resonancia (1), obteniendo los datos deseados en cuanto al grado de
degradación de los componentes.
Claims (6)
1. Sensor de microondas para suelas de calzado
inyectadas desarrollado para detectar durante el proceso de
fabricación de las mismas el nivel de degradación de los fluidos
que componen dichas suelas en tiempo real y de manera no intrusiva,
que cuenta con una cavidad resonante alimentada por una sonda
eléctrica que introduce en ella las señales de microondas en la
banda de trabajo emitidas por un generador, un receptor de la señal
reflejada en dicha cavidad y una red separadora que separa la onda
incidente desde el generador de la onda reflejada en la cavidad
resonante caracterizado porque la cavidad resonante (1) es
una cavidad cilíndrica parcialmente rellena que cuenta con un
conducto (7) coaxial a ella que la atraviesa de arriba abajo,
destinado a que el fluido (6) a analizar circule por su interior,
evitándose así el contacto entre dicho fluido (6) y la cavidad
resonante (1) o la sonda eléctrica (11) que introduce la señal en
ella.
2. Sensor de microondas para suelas de calzado
inyectadas según reivindicación anterior caracterizado
porque la señal reflejada en la cavidad resonante (1), determinada
por su frecuencia de resonancia y su factor de calidad, permite
conocer las propiedades dieléctricas del fluido (6) y los
parámetros físico-químicos indicadores de su nivel
de degradación.
3. Sensor de microondas para suelas de calzado
inyectadas según reivindicación anterior caracterizado
porque el conducto (7) que atraviesa la cavidad resonante (1) es de
material poco absorbente a las microondas, de manera que la onda
reflejada por la cavidad resonante (1) está afectada exclusivamente
por las propiedades dieléctricas del fluido (6) y no del material
constitutivo de dicho conducto (7).
4. Sensor de microondas para suelas de calzado
inyectadas según reivindicaciones anteriores caracterizado
porque el valor de la relación de aspecto c/a está
comprendido entre 0,1 y 0,3.
5. Sensor de microondas para suelas de calzado
inyectadas según reivindicaciones anteriores caracterizado
porque el fluido (6) analizado es poliol o isocianato.
6. Método para medir la degradación de los
componentes fluidos de suelas de calzado inyectadas durante el
proceso de fabricación de las mismas caracterizado porque
para conocer los parámetros físico-químicos que
indican el nivel de degradación del fluido (6) analizado se hace
circular el fluido (6) por el interior de un conducto (7) de
material poco absorbente a las microondas que atraviesa una cavidad
resonante (1) parcialmente rellena en cuyo interior confina la
energía electromagnética suministrada por un generador (2) de
señales de microondas, captando un receptor (3) la señal reflejada
por dicha cavidad, de manera que a partir de la frecuencia de
resonancia y el factor de calidad de dicha señal se conocen las
propiedades dieléctricas del fluido (6) y los parámetros
físico-químicos indicadores de su nivel de
degradación.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200401273A ES2255388B1 (es) | 2004-05-14 | 2004-05-14 | Sensor de microondas y metodo para medir la degradacion de los componentes fluidos de suelas de calzado. |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2255388A1 ES2255388A1 (es) | 2006-06-16 |
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2255388B1 (es) |
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-
2004
- 2004-05-14 ES ES200401273A patent/ES2255388B1/es not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| ES2255388A1 (es) | 2006-06-16 |
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