ES2260714T3 - Procedimeinto para determinar la porosidad de una pieza mediante ultrasonido. - Google Patents
Procedimeinto para determinar la porosidad de una pieza mediante ultrasonido.Info
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Abstract
Procedimiento para determinar la porosidad de una pieza de trabajo (2), particularmente de una pieza (2) de un material plástico compuesto de fibra, en el cual una señal ultrasónica se inyecta en la pieza (2) y se recibe una señal de eco ultrasónica desde la pieza (2), caracterizado por el hecho que la amplitud (A) del mismo se mide en función del tiempo de propagación y se atribuye a una profundidad (d) y se utiliza la variación de la amplitud (A) con respecto a la profundidad (d) como medida de la porosidad en la respectiva profundidad (d).
Description
Procedimiento para determinar la porosidad de
una pieza mediante ultrasonido.
El objeto de la presente invención es un
procedimiento para determinar y valorar la porosidad de una pieza de
trabajo, particularmente de una pieza de un material plástico
compuesto de fibra. Las piezas de trabajo, particularmente las
piezas de materiales plásticos compuestos de fibra tal como por
ejemplo los materiales plásticos reforzados de fibras o de fibras de
carbono (GFK o CFK) pueden presentar una alta porosidad, causada por
el procedimiento respectivamente elegido de su fabricación. Esta
porosidad representa un problema considerable, especialmente en el
caso de elementos de construcción con alta carga y relevancia de
seguridad.
Por la publicación de Gundoft, Hans Erik,
"Quantitative material characterisation of composites by
ultrasonic scanning", 15th WCNDT Conference Roma 2000, publicada
en el internet bajo la dirección www.ndt.net/article/wcndt00/
papers/idn531/idn531.htm se conoce un procedimiento para determinar la porosidad de un material plástico compuesto de fibra, en el cual una señal ultrasónica se inyecta en el elemento y se recibe la amplitud de la señal de eco de la pared dorsal o el debilitamiento de la señal ultrasónica transmitida que se comparan con las señales correspondientes de un elemento de construcción irreprochable. En este caso, una amplitud más baja de la señal de eco de la pared dorsal respectivamente de la señal ultrasonora transmitida es un índice para la existencia de lugares porosos dentro del elemento de construcción. Este procedimiento conocido presupone que la pieza de construcción presenta unas superficies paralelas en su zona que debe ser valorada, para poder recibir unas señales de eco de la pared dorsal o señales ultrasónicas transmitidas aprovechables. Más allá de ello, una determinación de la distribución de los poros en la profundidad del material no es posible. Sin embargo, una determinación de la distribución de los poros en la profundidad del material puede ser útil en la medida en que una porosidad elevada puede ser tolerada por ejemplo en aquellas zonas en las cuales el elemento de construcción solo está sometido a tensiones transversales bajas, mientras que puede causar la destrucción rápida del elemento de construcción en las zonas con tensiones transversales más altas, paralelas al plano laminado.
papers/idn531/idn531.htm se conoce un procedimiento para determinar la porosidad de un material plástico compuesto de fibra, en el cual una señal ultrasónica se inyecta en el elemento y se recibe la amplitud de la señal de eco de la pared dorsal o el debilitamiento de la señal ultrasónica transmitida que se comparan con las señales correspondientes de un elemento de construcción irreprochable. En este caso, una amplitud más baja de la señal de eco de la pared dorsal respectivamente de la señal ultrasonora transmitida es un índice para la existencia de lugares porosos dentro del elemento de construcción. Este procedimiento conocido presupone que la pieza de construcción presenta unas superficies paralelas en su zona que debe ser valorada, para poder recibir unas señales de eco de la pared dorsal o señales ultrasónicas transmitidas aprovechables. Más allá de ello, una determinación de la distribución de los poros en la profundidad del material no es posible. Sin embargo, una determinación de la distribución de los poros en la profundidad del material puede ser útil en la medida en que una porosidad elevada puede ser tolerada por ejemplo en aquellas zonas en las cuales el elemento de construcción solo está sometido a tensiones transversales bajas, mientras que puede causar la destrucción rápida del elemento de construcción en las zonas con tensiones transversales más altas, paralelas al plano laminado.
Asimismo es conocida por Shark L.-K., Yu, C.,
"Automatic estimation of ultrasonic attenuation for porosity
evaluation in composite material" 15th WCNDT Conference Roma
2000, la corrección de la señal de eco de la pared dorsal mediante
la llamada análisis "wavelet", en cuyo caso, para determinar la
porosidad, se utiliza la relación entre la amplitud de la señal de
eco de entrada y la amplitud de la señal corregida de eco de la
pared dorsal.
El objeto de la invención es un procedimiento
para determinar la porosidad de una pieza de trabajo que permita
determinar tanto la extensión de la porosidad como la posición en
profundidad.
Este objeto se resuelve de acuerdo con la
invención mediante las características de la reivindicación 1. En el
procedimiento para determinar y valorar la porosidad de una pieza de
trabajo, particularmente de una pieza de un material plástico
compuesto de fibra, una señal ultrasónica se inyecta en el elemento
de construcción y se recibe una señal de eco ultrasónica del
elemento de construcción cuya amplitud se mide en relación con el
tiempo de propagación y se atribuye a una cierta profundidad,
refiriéndose a la trayectoria de amplitud de la señal de eco
ultrasónica en relación con la profundidad del elemento de
construcción como medida de la porosidad en la respectiva
profundidad. Puesto que, a efectos de su evaluación, se analiza la
dependencia de la señal de eco ultrasónica de la profundidad (tiempo
de propagación), es posible determinar en base a esta trayectoria
también el grado de porosidad existente en la respectiva
profundidad.
La invención se basa en el conocimiento de que
la extensión de las señales ultrasónicas, dispersadas en una
profundidad determinada del elemento de construcción y recibidas por
un receptor de ultrasonidos como señales de eco ultrasonoras,
depende esencialmente del grado de porosidad y de la distribución de
los poros en el elemento de construcción. Mediante la comparación
con un elemento de construcción de referencia, libre de poros o con
escasos poros, o con zonas de referencia con escasos poros en el
mismo elemento de construcción, se puede deducir cualitativamente el
grado de porosidad y la distribución de los poros dentro del
elemento de construcción. Como criterio especialmente apropiado para
determinar la porosidad se ha manifestado la inclinación media de la
señal de eco ultrasónica, dependiente de la profundidad.
Otras realizaciones ventajosas de la invención
se indican en las subreivindicaciones.
A continuación, la invención se describe con más
detalles mediante los dibujos en los cuales ilustran:
la figura 1 un diagrama en el cual se representa
la trayectoria principal de la amplitud de la señal de eco
ultrasonica retrodispersada y corte a través de un tubo de varias
capas de acuerdo con la invención, en dependencia del espesor del
elemento de construcción,
la figura 2 un diagrama en el cual la amplitud
de la señal de eco ultrasónica, recibida por el receptor de
ultrasonidos, para un elemento de construcción poroso
respectivamente no poroso con un espesor de aproximadamente 8 mm es
mostrada en dependencia de la profundidad (tiempo de
propagación),
las figuras 3 y 4 muestran una vista en planta
respectivamente un corte a través de un elemento de construcción a
ser examinado, con respectivamente una cabeza de control,
representada en esquema,
la figura 5 muestra la trayectoria temporal de
las señales ultrasónicas recibidas por el receptor de
ultrasonidos,
la figura 6 muestra un diagrama en el cual la
amplitud de la señal ultrasónica para un elemento de construcción
con un espesor de aproximadamente 9 mm es mostrada en dependencia de
la profundidad para dos diferentes elementos de construcción.
En el diagrama de acuerdo con la figura 1, la
amplitud A de la señal de eco ultrasónica recibida es representada
en dependencia del espesor D del elemento de construcción. Las
curvas a y b muestran la trayectoria de la amplitud de la señal de
eco de la pared dorsal respectivamente de retrodispersión de un
elemento de construcción no poroso, las curvas c y d muestran la
trayectoria de la amplitud A de la señal de eco de pared dorsal
respectivamente la señal de eco de retrodispersión de un elemento de
construcción poroso. Las curvas a y c muestran ahora que en un
elemento de construcción poroso la amplitud A de la señal de eco de
pared dorsal se reduce con el aumento del espesor D del elemento en
una medida significantemente más fuerte que en un elemento de
construcción con una porosidad más baja. De acuerdo con la curva a,
para un elemento de construcción no poroso con un espesor D = 15 mm
se obtiene una atenuación de la señal de eco de pared dorsal de
aproximadamente 15 dB. En comparación, la señal de eco de pared
dorsal para un elemento de construcción del mismo espesor d, pero de
una porosidad elevada, es atenuada de casi 40 dB más. Las curvas b y
d muestran que la amplitud A de las señales de eco de
retrodispersión en un elemento de construcción con la porosidad baja
diminuye en una medida sensiblemente menor que en un elemento de
construcción poroso. Debido a los poros existentes, la amplitud A de
la señal de eco de retrodispersión en un elemento de construcción
poroso es más elevada para profundidades menores (en el ejemplo
hasta una profundidad de aproximadamente 7,5 mm) que en un elemento
de construcción de una porosidad más baja, pero con un aumento de la
profundidad diminuye de modo sensiblemente más rápido ya que, de una
parte, la señal ultrasónica penetrando en profundidades más elevadas
y, de otra parte, la señal de eco retrodispersada de aquellas
profundidades son atenuadas debido a su dispersión en los poros
situados encima de ellas en su trayectoria de ida o de vuelta.
En el ejemplo, con un espesor o una profundidad
de límite Dg de aproximadamente 14 mm, la amplitud A de la señal de
eco de pared dorsal de un elemento de construcción poroso es
aproximadamente idéntica a la amplitud A de la señal retrodispersada
de modo que la señal de eco de pared dorsal ya no es reconocible con
materiales con un espesor D más elevado.
En el diagrama de acuerdo con la figura 2, en
las curvas e y f están representadas respectivamente las amplitudes
A medidas de la señal ultrasónica recibida en dependencia de la
profundidad d (tiempo de propagación) para dos elementos de
construcción de un espesor de 7 mm. La curva e representa la
amplitud medida en un elemento de construcción de baja porosidad y
la curva f la amplitud medida en un elemento de construcción de alta
porosidad. Ambas curvas se componen de tres zonas I, II y III. En la
zona I cercana a la superficie, la trayectoria de la señal está
marcada esencialmente por la señal de eco de entrada. Debido al eco
marcado de entrada, la zona I forma una zona que no se puede
aprovechar para la valoración y que es en la práctica de unos 1 - 2
mm con una frecuencia de ensayo de 5 MHz. Sigue la zona II en la
cual la amplitud A de la señal de eco ultrasonora, con una porosidad
constante disminuye en un promedio de modo aproximadamente lineal
con el aumento de la profundidad d (inclinación media
aproximadamente constante) hasta que se mida finalmente un nuevo
aumento de amplitud en la zona III que se debe atribuir a la señal
de eco de pared dorsal. En esta figura se puede percibir claramente
que la amplitud A de la señal ultrasónica recibida en el elemento de
construcción poroso disminuye de manera significativamente clara con
un aumento de la profundidad d (mayor valor de la inclinación media)
que en un elemento de construcción con una porosidad baja.
Mediante la figura 3 y 4 se describe en detalles
el procedimiento de acuerdo con la invención. La figura 3 muestra
una vista en planta esquemática de un elemento de construcción 2 de
la cual se ha elegido una zona de superficie 4 a ser valorada, en el
ejemplo representado de realización una zona rectangular de la
superficie, en la cual se realiza una multitud de mediciones en
varias posiciones de ensayo, con la ayuda de una cabeza de control
6. Tal como se ilustra mediante unas flechas, se posiciona a este
efecto la cabeza de control 6 en diferentes posiciones de examen de
la zona superficial 4, y en cada una de estas posiciones de examen
se realiza una medición. En el ejemplo ilustrado de realización se
prevé una cabeza de control 6 con un convertidor de ultrasonido que
sirve como emisor y como receptor. Básicamente, los convertidores
emisores y receptores pueden estar dispuestos separados los unos de
los otros. Esto tiene la ventaja de que la amplitud está disminuida
en la zona I (eco de entrada) y por lo tanto la zona de medición se
ensancha más cerca con respecto a la superficie del elemento de
construcción.
Especialmente ventajosa es una disposición
rotativa simétrica de los convertidores, por ejemplo un convertidor
emisor en forma de arandela circular, rodeado por un convertidor
receptor en forma de anillo toroidal. Gracias a la simetría rotativa
se garantiza la independencia de los resultados de medición de la
orientación del giro de la cabeza de control.
En el elemento de construcción 2 se determinan
según la figura 4 una multitud de capas 8 de diferentes
profundidades d, dispuestas paralelamente con respecto a la
superficie, a las cuales se atribuye mediante el tiempo de
propagación respectivamente una amplitud A de la señal ultrasónica
recibida por el receptor ultrasónico 6. En este caso, el espesor de
estas capas 8 no debe coincidir necesariamente con el espesor de las
diferentes capas del material compuesto.
Las amplitudes ultrasónicas medidas en varias
posiciones de ensayo y para diferentes capas 8 ahora son valoradas
estadísticamente, por ejemplo formando el valor medio aritmético de
las amplitudes pertenecientes a una capa y determinadas
respectivamente en las diferentes posiciones de ensayo. Se precisa
esta valoración estadística en una multitud de posiciones de ensayo
ya que en una posición de ensayo no está presente obligatoriamente
una amplitud relevante de la señal de eco ultrasónica para cada capa
8.
Un procedimiento especialmente apropiado para
determinar las amplitudes relevantes de la señal de eco ultrasónica
es el llamado procedimiento A-LOK en el cual el
dispositivo receptor trabaja con un diafragma temporal (ventana de
tiempo T) que es más largo que el espesor a determinar de la capa
respectiva. En este procedimiento se reconoce una amplitud relevante
mediante la trayectoria de la señal de eco ultrasonica recibida por
el hecho que la amplitud de la señal de eco ultrasónica entre al
menos una semionda ultrasónica antes de esta amplitud y una semionda
ultrasónica después de esta amplitud es mayor que la amplitud de
estas semiondas, como se representa en más detalles en la figura 5 a
través de la trayectoria ejemplar de una señal de eco ultrasónica S
determinada dentro de la ventana de tiempo elegida. Las amplitudes
que son reconocidas como relevantes con este procedimiento están
marcadas por una flecha. A cada amplitud relevante se contribuye una
capa a través del tiempo de propagación t (profundidad). En la
figura se ve que también puede haber mayores bloques de tiempo
T_{0} en los cuales no se mide ninguna amplitud relevante, de
manera que, en caso de que esta ventana de tiempo es mayor que el
espesor de la capa, no se obtenga ninguna amplitud relevante para
esta capa.
En el diagrama de acuerdo con la figura 6 están
representadas mediciones de dos elementos de construcción CFK
porosas en las curvas g, h. Se representa la amplitud de la señal de
eco ultrasónica en dependencia de la profundidad d (tiempo de
propagación). Por las diferencias de la inclinación de las
diferentes curvas g y h se reconoce que en el elemento de
construcción representado por la curva g la porosidad en proximidad
de la superficie es mayor, debido al declive más elevado, que la
porosidad en el centro del elemento o en proximidad de la pared
dorsal. En la curva h se ve que la amplitud de la señal de eco
retrodispersada sube más en el centro del elemento de construcción,
con una mayor inclinación posterior (descenso fuerte) que en la
zona próxima a la superficie. De ello, se puede deducir la
existencia de una porosidad elevada en el centro del elemento de
construcción. Asimismo se puede deducir por la amplitud casi
idéntica del eco de pared dorsal para ambos elementos de
construcción que el valor de porosidad determinado encima de la
profundidad d es aproximadamente el mismo para ambos elementos de
construcción.
Claims (5)
1. Procedimiento para determinar la porosidad de
una pieza de trabajo (2), particularmente de una pieza (2) de un
material plástico compuesto de fibra, en el cual una señal
ultrasónica se inyecta en la pieza (2) y se recibe una señal de eco
ultrasónica desde la pieza (2), caracterizado por el hecho
que la amplitud (A) del mismo se mide en función del tiempo de
propagación y se atribuye a una profundidad (d) y se utiliza la
variación de la amplitud (A) con respecto a la profundidad (d) como
medida de la porosidad en la respectiva profundidad (d).
2. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado por el hecho que la pieza de
trabajo (2) se divide en una zona de superficie (4) a ser examinada
en una multitud de capas (8) de diferentes profundidades (d) y se
coloca una cabeza (6) de control de ultrasonidos en la zona de
superficie (4) en posición de control mediante la cual se inyecta
una señal ultrasónica en la pieza (2) y se mide la amplitud (A) que
corresponde a cada capa, y en la cual se utiliza la variación de la
amplitud (A) con respecto a la profundidad (d) de la capa (8) como
medida de la porosidad en la respectiva capa (8).
3. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 2, en el cual la zona de superficie (4) comprende una
multitud de posiciones de control y se calcula el término medio de
la amplitud (A) de la señal de eco ultrasónica que pertenece a las
diversas capas (8) que se mide respectivamente en las diversas
posiciones de control.
4. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 2 o 3, en el cual las amplitudes (A) de las señales
de eco ultrasónicas que pertenecen a una capa (8) se determinan por
un procedimiento ALOK.
5. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones precedentes, en el cual se utiliza una inclinación
media de la amplitud (A) dependiente de la profundidad (d) como
medida de la porosidad.
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