ES2339596T3 - Procedimiento y dispositivo para medir el espesor de una capa de material. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento para medir el espesor de una capa de un primer material, comprendiendo el procedimiento las etapas de: - adquirir al menos una respuesta en frecuencia de la capa de primer material por medio de un sensor de microondas (13); - ajustar (30) el sensor de microondas (13) sobre una pluralidad de muestras de segundos materiales para diferentes valores de temperatura (Tamb, T1, T2, T3) de tal modo que se obtengan unos datos de referencia (CD, X, Y, S); - calibrar (31) el sensor de microondas (13) como una función de la conductividad eléctrica del primer material utilizando los datos de referencia (CD, X, Y, S); - medir (32) la temperatura (Tm) de la capa de primer material por medio de un sensor de temperatura (14); - determinar (33) unos parámetros de medición (F1_m, F2_m, Amin_m) de la capa de primer material a partir de la respuesta en frecuencia; y - procesar (34) los datos de referencia (CD, X, Y, S) con los parámetros de medición (F1_m, F2_m, Amin_m) y la temperatura de medición (Tm) para obtener una medición (Sm) del espesor de la capa de primer material; estando el procedimiento caracterizado porque la etapa de calibrar (31) el sensor de microondas (13) comprende la etapa de determinar (58) un parámetro de calibración (INTc) como una función de la conductividad eléctrica del primer material y de los primeros (CD, X, Y) de dichos datos de referencia.
Description
Procedimiento y dispositivo para medir el
espesor de una capa de material.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y un dispositivo para medir el espesor de una capa de
material.
En particular, la presente invención encuentra
aplicación ventajosa, pero no exclusiva, en la medición de, espesor
de una capa de una pasta de papel en una estación de drenaje de una
máquina de fabricaron de papel a la que la siguiente descripción
hará referencia explícita, sin que esta implique, sin embargo,
ninguna pérdida de generalidad.
Como es sabido, en una máquina de fabricación de
papel, una capa de pasta de papel, en la que la parte de agua es
aproximadamente el 98%, se hace avanzar a lo largo de un recorrido
para producción del papel, que atraviesa, en sucesión, una estación
para drenar la capa de pasta de papel, una estación para comprimir
la capa de pasta de papel, y una estación para secar la capa de
pasta de papel.
Una primera parte del recorrido de producción
que atraviesa la estación de drenaje define un recorrido de drenaje,
a lo largo del cual avanza la capa de pasta de papel tendida sobre
una tela que gira en un bucle. Colocadas debajo de la tela están, a
una distancia regular unas de otras, una pluralidad de unidades de
succión para aspirar el agua, a través de la tela, de la pasta de
papel a medida que avanza.
Una elevada eficiencia de la estación de drenaje
reduce el coste del tratamiento llevado a cabo por la estación de
secado aguas abajo.
Para el propósito anterior, existen en e,
mercado dispositivos para controlar el espesor de agua en la pasta
del papel, que comprende una varilla, en la cual esta montado un
cabezal de lectura Provisto de un sensor para medición de la
cantidad de agua. Estos dispositivos normalmente son colocados
manualmente de tal modo que el sensor se pone en contacto con la
superficie inferior de la tela entre una unidad de succión y
otra.
Dichos dispositivos usan diversos tipos de
sensores, por ejemplo, sensores que se aprovechan de la tecnología
GBS (Gamma Back Scattering-Retrodispersión Gamma)
para detectar la consistencia del material con el que entran en
contacto. Dicha tecnología es exacta pero requiere la presencia de
una fuente radiactiva dentro del cabezal de lectura y, por
consiguiente, es costosa y poco práctica. Otros sensores se
aprovechan del ultrasonido y son, por lo tanto, menos costosos que
los anteriores, pero también más difíciles de utilizar en entornos
ruidosos, tales como los de las máquinas de fabricación de papel.
Otros sensores más se aprovechan de las microondas, y en particular
estiman la consistencia del material a partir de la respuesta en
frecuencia del propio material, pero son voluminosos y no producen
medidas suficientemente fiables. Una aplicación de esta clase de
sensor se desvela en la patente US2004/0194257.
El objetivo de la presente invención es
proporcionar un procedimiento y un dispositivo para medir el espesor
de una capa de material, y en particular el espesor de agua de una
capa de pasta de papel y agua para la producción de papel, que esté
libre de los inconvenientes descritos anteriormente y al mismo
tiempo sea fácil y económico de fabricar.
De acuerdo con la presente invención, se
proporcionan un procedimiento y un dispositivo para medir el espesor
de una capa de material según lo que se define en las
reivindicaciones independientes adjuntas y, preferentemente, en una
cualquiera de las reivindicaciones que dependen directa o
indirectamente de las reivindicaciones independientes mencionadas
anteriormente.
Para una mejor comprensión de la presente
invención, a continuación se describe una realización preferida de
la misma, meramente a título de ejemplo no limitativo y con
referencia a la lámina de dibujos adjunta, en la que:
- la Figura 1A y la Figura 1B ilustran una
realización preferida del dispositivo para medir el espesor de una
capa de material según la presente invención;
- la Figura 2 ilustra un diagrama de bloques de
una unidad de control del dispositivo de la Figura 1;
- las Figuras 3 a 8 ilustran, en conjunto, un
organigrama del procedimiento para medir el espesor de una capa de
material según la presente invención;
- las Figuras 9 a 14 ilustran ejemplos de curvas
de respuesta en frecuencia de muestras de materiales y de curvas de
ajuste y calibración correspondientes del dispositivo de la Figura
1, obtenidas y usadas siguiendo el procedimiento para medir el
espesor de una capa de material según la presente invención; y
- las Figuras 15 y 16 ilustran ejemplos de
respuestas en frecuencia de la capa de material adquiridas y
procesadas siguiendo el procedimiento para medir el espesor de una
capa de material según la presente invención.
En la Figura 1A, el número de referencia 1
designa, en conjunto, el dispositivo para controlar el espesor de un
material, comprendiendo dicho dispositivo 1: una unidad de control
2; un cabezal de lectura 3, diseñado para ser puesto en contacto con
una capa de material (no ilustrada) y en particular una capa de
pasta de papel y agua para medir el espesor de la misma; y una
varilla de soporte 4, que posee un primer extremo 5, en una posición
que corresponde a en la que está montado el cabezal de lectura 3, y
un segundo extremo 6, en el que está montado un conector 7 provisto
de un cable eléctrico 8 para conexión del cabezal de lectura 3 a la
unidad de control 2.
La unidad de control 2 comprende un panel de
control frontal 9 provisto de una pantalla 10, por ejemplo del tipo
de cristal líquido retroiluminada con una resolución de 128x128
píxeles, para visualizar información sobre las mediciones, y un
teclado numérico 11, por medio del cual un operador puede impartir
órdenes sobre la unidad de control 2. La unidad de control 2 además
comprende una pluralidad de conectores 12 para conexión al cabezal
de lectura 3 y con dispositivos de control externos adicionales (no
ilustrados), por ejemplo, un ordenador personal.
El cabezal de lectura 3 comprende un sensor de
microondas 13 y un sensor de temperatura 14. En particular, el
sensor de microondas 13 es, por ejemplo, del tipo descrito en la
solicitud de patente italiana Nº FI2006A0000019, presentada el 19 de
octubre de 2006 a favor de ADVANCED MICROWAVE ENGINEERING, y
comprende un transmisor de microondas y un receptor de microondas
respectivo para detectar, a través del material, las señales
generadas por el transmisor. En particular, el sensor 13 está
caracterizado por una curva de respuesta en frecuencia
sustancialmente centrada alrededor de una frecuencia de resonancia,
para la que existe un mínimo valor de amplitud. La presencia del
material en las inmediaciones del sensor 13 modifica la curva de
respuesta, en cuanto a desplazamiento de la frecuencia de resonancia
y de variación de la amplitud mínima, de una manera que depende de
las características físicas del propio material.
La varilla de soporte 4 está provista de un
elemento de señalización 15, por ejemplo de un tipo óptico o bien,
de un tipo acústico, para señalar que la medición está en curso, y
con un pequeño nivel 16 para verificar la colocación correcta de la
varilla de soporte 4 y, por lo tanto, del cabezal de lectura 3. Con
mayor detalle, como se ilustra en la Figura 1B, la varilla de
soporte 4 comprende un brazo telescópico 17, que es extensible por
su primer extremo 5 y en el que está montado el cabezal de lectura
3.
Con referencia a la Figura 2, la unidad de
control 2 comprende, además de la pantalla 10 y el teclado numérico
11 anteriormente mencionados, una unidad de almacenamiento 18, por
ejemplo, una memoria flash extraíble del tipo denominado "tarjeta
smart media", diseñada para almacenar los datos sobre las
mediciones, una unidad de interfaz 19 para comunicación con el
dispositivo externo de control, una unidad de interfaz 20 para
comunicación con los sensores 13, 14, una unidad de procesamiento
21, por ejemplo, del tipo que comprende un microcontrolador,
conectado para comunicación con la pantalla 10, con el teclado
numérico 11, y con todas las demás unidades anteriormente
mencionadas, y una unidad de alimentación 22, la cual está diseñada
para alimentar eléctricamente todas las unidades mencionadas
anteriormente.
Con mayor detalle, la pantalla 10 está diseñada
para visualizar el estado de los sensores 13, 14, los datos respecto
a la medición en curso, y las estadísticas respecto a las mediciones
previas. Entre las órdenes que pueden impartirse por medio del
teclado numérico 11 está, por ejemplo, el número de muestras de
medición que han de adquirirse por medio del dispositivo 1.
La unidad de alimentación 22 comprende una
batería (no ilustrada), preferentemente del tipo recargable, y un
circuito de supervisión y señalización (tampoco ilustrado), para
monitorizar el nivel residual de carga de la batería, estando
asociado a dicho nivel un indicador apropiado representado, por
ejemplo, por medio de una luz de advertencia o por medio de un icono
visualizado en la pantalla 10.
Cada una de las unidades de interfaz 19, 20 está
constituida, por ejemplo, por un puerto serie del tipo RS232 o
USB.
Las Figuras 3 a 7 muestran partes respectivas de
un organigrama del procedimiento para medir el espesor de una capa
de un material según la presente invención, siendo implementado
dicho procedimiento en un programa de control (firmware) cargado en
el microcontrolador de la unidad de procesamiento 21.
El principio subyacente al procedimiento para
medir el espesor de una capa de un material consiste en: obtener
datos de referencia a partir de un ajuste del sensor de microondas
13 llevado a cabo en el laboratorio sobre muestras de materiales
conocidos en condiciones físicas conocidas; calibrar el sensor 13
basándose en la conductividad eléctrica del material bajo examen, es
decir, del material de la capa que ha de ser medida, usando, por
ejemplo, una muestra de dicho material; y determinar una medición
del espesor a partir de una respuesta en frecuencia de la capa de
material, adquirida por medio del sensor 13, y como función de la
temperatura Tm del lector de material medido con el sensor 14.
Con referencia a la Figura 3, el procedimiento
para medir el espesor de una capa de material prevé una etapa de
ajuste del sensor 13 (bloque 30) sobre muestras de materiales que
tienen valores dados respectivos de conductividad eléctrica para
valores de temperatura determinados de tal manera que se obtengan
los datos de referencia; una etapa de calibración del sensor 13
(bloque 31) como función de la conductividad eléctrica del material
bajo examen, es decir, del material de la capa que ha de ser medida
utilizando los datos de referencia para determinar parámetros de
calibración; una etapa de medición de la temperatura Tm de la capa
de material bajo examen (bloque 32); una etapa de determinación de
parámetros de medición de la capa de material a partir de una
respuesta en frecuencia de la propia capa usando los parámetros de
calibración (bloque 33); y una etapa de procesamiento de los datos
de referencia con los parámetros de medición y la temperatura Tm
para determinar una medición Sm del espesor de la propia capa
(bloque 34).
Las etapas indicadas con los bloques 32, 33 y 34
se repiten, siempre que sea necesario, para obtener una medición del
espesor, si no, el control vuelve a la etapa de calibración (bloque
35).
La etapa de ajuste del sensor 13 (bloque 30 de
la Figura 3) se lleva a cabo definitivamente en el laboratorio y se
ilustra, en todas sus subetapas, en la Figura 4, y se describe más
adelante.
La etapa de ajuste del sensor 13 prevé, en
primer lugar, obtener datos de referencia constituidos por datos de
espesor S de un material determinado a medida que la frecuencia de
trabajo F del sensor 13 varía en una banda de frecuencia FB,
comprendida entre un valor mínimo Fmin y un valor máximo Fmax, y
para valores de temperatura dados T1, T2, T3.
Dichos datos de espesor S como función de la
frecuencia F se obtienen: adquiriendo, por medio del sensor 13, para
cada valor de temperatura T1, T2, T3, una pluralidad de curvas de
respuesta en frecuencia de una pluralidad respectiva de muestras de
un material que tiene un valor CD1 de conductividad eléctrica,
teniendo cada muestra un valor respectivo de sustancia o espesor S
(bloque 40); y asociando a cada valor de espesor S un valor
respectivo de frecuencia F identificado por la intersección de la
curva de respuesta que corresponde a dicho valor de espesor S con
una función que es constante en frecuencia, denominada en los
sucesivo, por razones de conveniencia, como "línea recta de
interceptación" (bloque 41).
La Figura 9 es una ilustración gráfica de un
ejemplo de cómo obtener los datos de espesor S a medida que varía la
frecuencia F para cualquiera de los valores de temperatura T1, T2,
T3.
El gráfico de la parte superior de la Figura 9
ilustra las curvas de respuesta en frecuencia, que están
constituidas por tantos patrones de amplitud A de la señal de salida
del sensor 13 como la frecuencia F varía en la banda FB para los
diferentes valores del espesor S. La amplitud A es adimensional en
la medida en que la salida del sensor 13 corresponde a la salida de
un convertidor A/D del sensor 13. La línea recta de interceptación
asume un primer valor INT1 sustancialmente igual a la mitad del
intervalo de salida del convertidor A/D, y en particular igual a
2500. Cada valor de frecuencia F asociado al valor respectivo de
espesor S está definido por la intersección de la línea recta de
interceptación de valor INT1 con el tramo creciente de la curva de
respuesta en frecuencia que corresponde al propio valor de espesor
S.
El gráfico de la parte inferior de la Figura 9
representa un ejemplo de patrón del espesor S como función de la
frecuencia F obtenida asociando los valores de frecuencia F
obtenidos a los valores de espesor S.
La Figura 10 ilustra ejemplos de curvas del
espesor S como una función de la frecuencia F para los diferentes
valores de temperatura T1, T2 y T3 que se incrementan de manera que
T3>T2>T1, y preferentemente son iguales a 10ºC, 35ºC y 60ºC,
respectivamente.
Los datos de espesor S como función de la
frecuencia F para los tres valores de temperatura T1, T2 y T3 se
recogen en una tabla de consulta correspondiente almacenada en la
unidad de almacenamiento 18.
La etapa de ajuste del sensor 13 además prevé
obtener otros datos de referencia, constituidos por datos de
conductividad eléctrica CD como una función de la amplitud mínima
Amin de la señal de salida del sensor 13 a una temperatura ambiente
constante de valor Tamb.
Una vez más con referencia a la Figura 4, los
datos de conductividad CD como función de la amplitud mínima Amin se
obtienen: adquiriendo, por medio del sensor 13, una pluralidad de
curvas de respuesta en frecuencia, en la banda de frecuencia FB, de
una pluralidad respectiva de muestras de materiales que tienen cada
uno un valor respectivo de conductividad eléctrica CD (bloque 42); y
asociando, a cada valor de conductividad eléctrica CD, los valores
de amplitud mínima Amin de las curvas de respuesta en frecuencia de
la muestra que tiene dicho valor de conductividad eléctrica CD
(bloque 43).
La Figura 11 ilustra ejemplos de curvas de
respuesta en frecuencia de materiales que tienen diferentes valores
de la conductividad eléctrica CD y resalta los valores de amplitud
mínima Amin de cada curva designada por A_{0}, A_{1}, A_{2},
A_{3}, A_{4} y A_{5}. Dichos mínimos se producen a la
frecuencia de resonancia del material correspondiente. La Figura 12
muestra un ejemplo de patrón de la conductividad eléctrica CD como
una función de la amplitud mínima Amin obtenida a partir de los
datos deducidos de la Figura 11.
Los datos de conductividad eléctrica CD como una
función de la amplitud mínima Amin a temperatura ambiente Tamb se
recogen en una tabla de consulta correspondiente almacenada en la
unidad de almacenamiento 18.
Por último, la etapa de ajuste del sensor 13
prevé determinar una función lineal entre el valor genérico INT de
la línea recta de interceptación y la conductividad eléctrica CD del
material bajo examen a temperatura constante, y en particular en el
valor de temperatura T2. En otras palabras, la etapa de ajuste prevé
determinar datos de referencia adicionales constituidos por los
coeficientes X e Y que identifican una función lineal del tipo
INT=X*CD+Y.
En particular, una vez más con referencia a la
Figura 4, la etapa de ajuste del sensor 13 prevé adquirir, por medio
del propio sensor 13, tres conjuntos de curvas de respuesta en
frecuencia para tres valores diferentes de espesor de referencia SR,
SR', SR'' de material, en los que cada grupo de curvas comprende
tres curvas de respuesta en frecuencia de tres materiales que tienen
valores respectivos de conductividad eléctrica CD1, CD2, CD3 (bloque
44).
Los valores de conductividad eléctrica CD1, CD2
y CD3 son crecientes de manera que CD3>CD2>CD1, y
preferentemente iguales a 1500, 4000 y 6500 \muS/cm,
respectivamente. Los valores de espesor de referencia SR, SR' y SR''
son decrecientes y preferentemente iguales a 25000, 10000 y 5000
g/m^{2}, respectivamente.
Para cada uno de dichos grupos de curvas de
respuesta en frecuencia, se determinan los siguientes datos: un
valor de frecuencia respectivo F1, F1', F1'' a partir de la
intersección de la curva que corresponde al material con
conductividad eléctrica CD1 con la línea recta de interceptación de
un primer valor INT1 (bloque 45); un segundo valor INT2, INT2',
INT2'', y un tercer valor INT3, INT3', INT3'' que la línea recta de
interceptación debe asumir para identificar el mismo valor de
frecuencia F1, F1', F1'' en presencia del material con conductividad
eléctrica que tiene el valor CD2 y, respectivamente, CD3 dado el
mismo espesor de referencia SR, SR' y SR'' (bloque 46).
En este punto, los valores INT1, INT2, INT2',
INT2'', INT3, INT3', e INT3'', que corresponden a los diferentes
valores del espesor de referencia SR, SR' y SR'' son promediados
entre sí de tal modo que se obtenga un valor medio INT1, INT2m,
INT3m de la línea recta de interceptación para cada valor de la
conductividad eléctrica CD1, CD2, CD3 (bloque 47). Los coeficientes
X e Y se determinan según las series de valores de la conductividad
eléctrica CD1, CD2, CD3 y de las series respectivas de valores
medios INT1, INT2m, INT3m usando cualquier técnica de regresión
lineal conocida (bloque 48).
La Figura 13 ilustra un ejemplo de determinación
de los valores INT2, INT2', INT2'', INT3, INT3' e INT3''.
La Figura 14 ilustra un ejemplo de relación
lineal entre el valor INT de la línea recta de interceptación y la
conductividad eléctrica CD obtenida por regresión lineal. Los
coeficientes X e Y también son almacenados en la unidad de
almacenamiento 18.
La etapa de calibración del sensor 13 (bloque 31
de la Figura 3) tiene el propósito de determinar un parámetro de
calibración constituido por un valor INYc de la línea recta de
interceptación en presencia de una muestra del material bajo examen
a la temperatura ambiente constante de valor Tamb.
La calibración se lleva a cabo previamente
sumergiendo el cabezal de lectura 3 en una cubeta de calibración
provista ex profeso que contiene una muestra el material bajo
examen. Alternativamente, la calibración se lleva a cabo
automáticamente mediante el dispositivo
\hbox{1 durante las
operaciones normales de medición del espesor de la capa de
material.}
En general, la etapa de calibración prevé:
adquirir curvas de respuesta en frecuencia del material bajo examen
en la banda de frecuencia FB similares a las ilustradas en las
Figuras 9 y 10; encontrar un valor de la amplitud mínima Amin_c de
dichas curvas; y procesar dicho valor de la amplitud mínima Amin_c
para obtener el valor INTc de la línea recta de interceptación.
En particular, con referencia a la Figura 5' la
adquisición de las curvas de respuesta en frecuencia se produce:
incrementando la frecuencia F desde el valor mínimo Fmin (bloque 50)
hasta el valor máximo Fmax (bloque 51) según un escalón de
frecuencia dado Fs en particular de un valor de 10 kHz (bloque 52);
y adquirir un valor de amplitud A de la señal en la salida del
sensor 13 para cada valor de frecuencia F establecido (bloque
53).
El valor de la amplitud mínima Amin_c de la
curva se encuentra: estableciendo inicialmente la amplitud mínima
Amin_c en un valor suficientemente elevado, y en particular en un
valor máximo Alim del intervalo de salida dinámico del sensor 13
igual a 4095 (bloque 50); comparar, para cada valor de frecuencia F
establecido, la amplitud mínima Amin_c establecida con cada valor de
amplitud A adquirido (bloque 54); y sustituir la amplitud mínima
Amin_c establecida por el valor de amplitud A en el caso en que ésta
sea inferior (bloque 55).
Una vez que se identifica el valor de la
amplitud mínima Amin_c, se compensa según la relación:
Amin\_c = (Tmc
- Tamb)*KC\ +\
Amin\_c,
donde Tmc corresponde a la
temperatura del material durante la etapa de medición propiamente
dicha y puede ser establecida por el operador mediante el teclado
numérico 11 durante la etapa actual de calibración, y KC es un
coeficiente que depende de las características mecánicas y
electrónicas del cabezal de lectura 3 y se determina ex
profeso en el laboratorio de manera empírica (bloque
56).
A continuación se determina una medición de la
conductividad eléctrica CDc del material bajo examen, extrayéndola,
por medio de interpolación, a partir de los datos de conductividad
eléctrica CD usando el valor de la amplitud mínima Amin_c (bloque
57), y se determina un valor INTc de la línea recta de
interceptación como función del valor de conductividad eléctrica CDc
usando los coeficientes X e Y, es decir, usando la función lineal
del tipo ilustrado en la Figura 14 (bloque 58).
En este punto, una vez que se han completado las
etapas de ajuste y calibración del sensor 13, se llevan a cabo las
operaciones que conducen a la determinación de una medición del
espesor.
A la medición de la temperatura Tm del material
bajo examen (bloque 32 de la Figura 3) le sigue, como ya ha sido
mencionado previamente, la etapa de determinación de parámetros de
medición (bloque 33 de la Figura 3). Dichos parámetros de medición
comprenden un valor de la frecuencia de interceptación F1_m
determinado para un intervalo de valores de amplitud A de una
respuesta en frecuencia de la capa de material adquirido mediante el
sensor 13, estando dicho intervalo sustancialmente centrado
alrededor del valor INTc de la línea recta de interceptación
obtenida durante la calibración del sensor 13.
Más exactamente, con referencia a la Figura 6,
la determinación del valor medio F1_m de la frecuencia comprende las
etapas de:
- -
- establecer inicialmente la frecuencia de trabajo F del sensor 13 en el valor máximo Fmax, el escalón de frecuencia Fs en un valor máximo o aproximado Fs_g, en particular igual a 1 MHz, una tolerancia T de la amplitud A en el valor más elevado que pueda seleccionarse, es decir, en el valor máximo o aproximado T_g, un contador de iteraciones de cálculo C en un valor determinado N de iteraciones, la línea recta de interceptación en el valor INTc de la línea recta de interceptación determinado previamente con la calibración del sensor 13, y la frecuencia de interceptación F1_m en un valor cero inicial (bloque 60);
- -
- comparar el valor actual de la frecuencia F con el valor máximo Fmax y el valor mínimo Fmin (bloque 62) para permitir advertir de posibles ajustes fuera de escala de la frecuencia F (bloque 63) y restablecer en consecuencia los parámetros establecidos en la etapa previa representada por el bloque 60 (bloque 64);
- -
- adquirir un valor de amplitud A de la señal en la salida del sensor 13 (bloque 65); y
- -
- comparar el valor de amplitud A adquirido con el valor INTc de la línea recta de interceptación (bloque 66) y comparar la diferencia, en valor absoluto, entre el valor de amplitud A y el valor INTc con el valor de tolerancia T establecido (bloques 67 y 68) con el fin de distinguir los casos descritos a continuación.
Si se satisfacen las dos condiciones de más
abajo:
A\ <\
INTc;
y
|A - INTc|\
<\
T,
entonces el escalón de frecuencia
Fs se establece en un valor mínimo o preciso Fs_f (Fs = Fs_f), y la
tolerancia T en un valor mínimo o exacto T_f (T = T_f), y la
frecuencia F se incrementa por el escalón de frecuencia Fs (F = F +
Fs) (bloque 69), y el flujo pasa al bloque subsiguiente 71. El valor
mínimo de tolerancia T_f es, por ejemplo, igual al 1% del valor de
INTc de la línea recta de
interceptación.
\vskip1.000000\baselineskip
Si se satisfacen las dos condiciones que
siguen:
A\ <\
INTc;
y
|A - INTc|\
\geq
T,
entonces el escalón de frecuencia
Fs se establece en el valor máximo Fs_g (Fs = Fs_g), y la tolerancia
T en su valor máximo T_g (T = T_g), la frecuencia F se incrementa
por el escalón de frecuencia Fs (F = F + Fs) (bloque 74), y el
control vuelve al bloque
62.
\newpage
Si se satisfacen las dos condiciones que
siguen:
A\ \geq
INTc;
y
|A - INTc|\
<\
T,
entonces el escalón de frecuencia
Fs se establece en el valor mínimo Fs_f (Fs = Fs_f), la tolerancia T
se establece en el valor mínimo T_f (T = T_f), la frecuencia se
disminuye el escalón de frecuencia Fs (F = F - Fs) (bloque 70), y el
flujo pasa al bloque subsiguiente
71.
\vskip1.000000\baselineskip
Si se satisfacen las dos condiciones que
siguen:
A\ \geq
INTc;
y
|A - INTc|\
\geq
T,
entonces el escalón de frecuencia
Fs se establece en el valor máximo Fs_g (Fs = Fs_g), y la tolerancia
T en el valor máximo T_g (T = T_g), la frecuencia F se disminuye por
el escalón de frecuencia Fs (F = F - Fs) (bloque 75), y el control
vuelve al bloque
62.
\vskip1.000000\baselineskip
Después de los incrementos o la disminución de
la frecuencia F el escalón de frecuencia Fs desde o hasta el valor
mínimo Fs_f (salida del bloque 69 o el bloque 70), se prevén las
siguientes etapas:
- -
- acumular el valor de frecuencia actual F sumándolo a la frecuencia de interceptación F1_m (F1_m = F1_m + F) y disminuyendo en uno el contador de iteraciones de cálculo C (C = C - 1) (bloque 71);
- -
- verificar el número residual de iteraciones de cálculo (bloque 72): si dicho número es cero (C = 0), entonces el flujo pasa al siguiente bloque 73; si no, el control vuelve al bloque 62; y
- -
- calcular el valor de la frecuencia de interceptación F1_m buscado como el valor medio de los valores acumulados (bloque 73).
\vskip1.000000\baselineskip
La Figura 15 ilustra un ejemplo de determinación
del valor de la frecuencia de interceptación F1_m. Como puede
observarse, la respuesta en frecuencia se adquiere disminuyendo la
frecuencia de trabajo F del sensor 13 comenzando desde el valor
máximo Fmax hasta valores de frecuencia que corresponden a valores
de amplitud A comprendidos en un intervalo DT centrado alrededor del
valor INTc y de extensión igual al doble del valor mínimo T_f de la
tolerancia T. En otras palabras, la respuesta en frecuencia
adquirida está constituida por un intervalo de valores de amplitud
A, que se incrementan a medida que se incrementa la frecuencia F y
están distribuidos alrededor del valor
INTc.
INTc.
El procesamiento de los datos de referencia con
los parámetros de medición y la temperatura de la capa de material
bajo examen para determinar una medición del espesor de la propia
capa (bloque 34 de la Figura 3) prevé inicialmente extraer tres
valores de primera aproximación del espesor S1, S2, S3 a partir de
los datos de espesor S como función de la frecuencia F para las tres
temperaturas diferentes T1, T2 y T3 usando la frecuencia de
interceptación
F1_m.
F1_m.
A este respecto, la Figura 10 ilustra un ejemplo
de extracción de los valores de primera aproximación del espesor S1,
S2, S3 a partir de las curvas que expresan los datos de espesor S
como una función de la frecuencia F para las tres temperaturas T1,
T2 y T3, obteniéndose dichos datos durante la etapa de calibración
del sensor 13.
La medición del espesor buscada, indicada en lo
sucesivo por Sm, se obtiene por medio de una interpolación de los
tres valores de primera aproximación del espesor S1, S2, S3 usando
la temperatura del material Tm. Con mayor detalle, como se ilustra
en la Figura 7, la interpolación comprende las etapas de:
- -
- comparar el valor de la temperatura del material Tm con la temperatura T2 (bloque 107): si las dos temperaturas son iguales (Tm = T2), entonces la medición del espesor Sm es igual a S2 (bloque 108); si no, el flujo pasa al siguiente bloque 109;
- -
- comparar el valor de la temperatura del material Tm con la temperatura T2 (bloque 109): si la temperatura T2 es inferior a la temperatura Tm (T2 < Tm), entonces la medición del espesor Sm está dada por una primera interpolación (bloque 110),
Sm = [(S3 -
S2)/(T3 - T2)]\ *\ Tm\ +\
S2;
- si no, la medición del espesor Sm está dada por una interpolación diferente (bloque 111)
Sm = [(S2 -
S1)/(T2 - T1)]\ *\ Tm\ +\
S1.
\vskip1.000000\baselineskip
Según una realización adicional de la presente
invención, los parámetros de medición que han de ser determinados
comprenden un segundo valor de la frecuencia de interceptación F2_m
y un valor medio de la amplitud mínima Amin_n de la respuesta en
frecuencia de la capa de material.
El segundo valor de la frecuencia de
interceptación F2_m se determina de una manera similar a la que se
hizo para el primer valor de la frecuencia de interceptación F1_m,
es decir, se determina sustancialmente según el organigrama
ilustrado en la Figura 6, pero con las siguientes diferencias:
- -
- la etapa indicada por el bloque 60 prevé que la frecuencia de trabajo F del sensor 13 se establezca inicialmente en el valor F1_m obtenido previamente, disminuido un desplazamiento de frecuencia programable DF1 de valor suficientemente amplio, por ejemplo, 15 MHz; y
- -
- se invierte la comparación indicada por el bloque 66 entre la amplitud A adquirida y el valor INTc de la línea recta de interceptación; es decir, la condición A < INTc se sustituye por la condición A > INTc.
\vskip1.000000\baselineskip
Con referencia a la Figura 8, la determinación
del valor medio de la amplitud mínima Amin_n de la respuesta en
frecuencia de la capa de material comprende las etapas de:
- -
- establecer inicialmente el valor de la frecuencia de trabajo F del sensor 13 en un valor Finf igual a (F1_m + F2_m)/2 - DF2, en el cual el valor DF2 es programable y es, por ejemplo, igual a 1,25 MHz, y la amplitud mínima Amin_m en un valor inicial cero (bloque 100);
- -
- adquirir un valor de amplitud A de la señal en la salida del sensor 13 (bloque 101);
- -
- acumular el valor de amplitud A adquirido, añadiendo al mismo la amplitud mínima Amin_n (Amin_n = Amin_m + A) (bloque 103);
- -
- incrementar la frecuencia F con un escalón de frecuencia Fs de valor dado, y en particular de valor igual a 10 kHz (F = F + 10 kHz) (bloque 104);
- -
- comparar la frecuencia F con un valor Sup igual a (F1_m + F2_m)/2 + DF2 (bloque 105): si la frecuencia F es igual a Sup, entonces el flujo pasa al siguiente bloque 106; si no, vuelve al bloque 101; y
- -
- calcular el valor medio de la amplitud mínima Amin_m buscado como la media de los valores acumulados previamente (bloque 106).
\vskip1.000000\baselineskip
La Figura 16 ilustra un ejemplo de determinación
del valor de la frecuencia de interceptación F2_m y de la amplitud
mínima Amin_n. Como puede observarse, el desplazamiento de
frecuencia DF1 ha de escogerse para acelerar la búsqueda del segundo
valor de la frecuencia de interceptación F2_m, que está situado
sustancialmente en una posición simétrica respecto al primer valor
de la frecuencia de interceptación F1_m con respecto a la frecuencia
de manera que se obtiene el valor mínimo Amin_m, es decir, en un
tramo de la respuesta en frecuencia definido por un intervalo de
valores de amplitud A, el cual disminuye a medida que se incrementa
la frecuencia F y está distribuido alrededor del valor INTc.
Según dicha realización adicional de la presente
invención, el procesamiento de una parte de los datos de referencia
con los parámetros de medición (bloque 34 de la Figura 3) prevé
procesar los valores de la frecuencia de interceptación F1_m y F2_m
y el valor de la amplitud mínima Amin_m por medio de una red neural
artificial implementada por un programa de control adicional que
puede cargarse en el microcontrolador de la unidad de procesamiento
21 con el propósito de incrementar la precisión de la medición del
espesor Sm.
\newpage
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante es sólo por conveniencia del lector. No forma parte del
documento de patente europea. Aún cuando se ha tenido mucho cuidado
al compilar las referencias, no pueden excluirse errores u omisiones
y la Oficina Europea de Patentes declina toda responsabilidad a este
respecto.
\bullet US 20040194257 A [0007]
\bullet FI 2006A0000019 [0013]
Claims (18)
1. Un procedimiento para medir el espesor de una
capa de un primer material, comprendiendo el procedimiento las
etapas de:
- -
- adquirir al menos una respuesta en frecuencia de la capa de primer material por medio de un sensor de microondas (13);
- -
- ajustar (30) el sensor de microondas (13) sobre una pluralidad de muestras de segundos materiales para diferentes valores de temperatura (Tamb, T1, T2, T3) de tal modo que se obtengan unos datos de referencia (CD, X, Y, S);
- -
- calibrar (31) el sensor de microondas (13) como una función de la conductividad eléctrica del primer material utilizando los datos de referencia (CD, X, Y, S);
- -
- medir (32) la temperatura (Tm) de la capa de primer material por medio de un sensor de temperatura (14);
- -
- determinar (33) unos parámetros de medición (F1_m, F2_m, Amin_m) de la capa de primer material a partir de la respuesta en frecuencia; y
- -
- procesar (34) los datos de referencia (CD, X, Y, S) con los parámetros de medición (F1_m, F2_m, Amin_m) y la temperatura de medición (Tm) para obtener una medición (Sm) del espesor de la capa de primer material;
- estando el procedimiento caracterizado porque la etapa de calibrar (31) el sensor de microondas (13) comprende la etapa de determinar (58) un parámetro de calibración (INTc) como una función de la conductividad eléctrica del primer material y de los primeros (CD, X, Y) de dichos datos de referencia.
2. El procedimiento según la Reivindicación 1,
en el que dichos parámetros de medición (F1_m, F2_m, Amin_n) de la
capa de primer material se determinan controlando
(66-68) la adquisición de dicha respuesta
frecuencial como una función de dicho parámetro de calibración
(INTc).
3. El procedimiento según la Reivindicación 1 o
la Reivindicación 2, en el que dichos primeros datos de referencia
(CD, X, Y) comprenden datos de conductividad eléctrica (CD) de
dichas muestras de segundos materiales como una función de una
amplitud mínima (Amin) de la respuesta en frecuencia de las propias
muestras; obteniéndose los datos de conductividad eléctrica (CD) a
una temperatura ambiente constante de valor dado (Tamb) y para uno y
el mismo valor de espesor de las muestras.
4. El procedimiento según una cualquiera de las
Reivindicaciones 1 a 3, en el que dicha etapa de calibrar (31) el
sensor de microondas (13) comprende las etapas de:
- -
- adquirir (50, 51, 52, 53) una respuesta en frecuencia de una muestra de dicho primer material por medio del sensor de microondas (13);
- -
- determinar (54, 55) un valor de la amplitud mínima (Amin_c) de dicha respuesta en frecuencia; y
- -
- determinar (57) una medición de la conductividad eléctrica del primer material (CDc) como una función de dicho valor de la amplitud mínima (Amin_c) utilizando dichos datos de conductividad eléctrica (CD).
5. El procedimiento según la Reivindicación 4,
en el que calibrar (31) el sensor de microondas (13) comprende la
etapa de compensar (56) dicho valor de la amplitud mínima (Amin_c)
como una función de la diferencia entre dicha temperatura ambiente
(Tamb) y un valor de la temperatura de medición (Tmc) puede ser
establecido por un operador.
6. El procedimiento según una cualquiera de las
Reivindicaciones 3 a 5, en el que dichos primeros datos de
referencia (CD, X, Y) comprenden coeficientes (X, Y) que definen una
función lineal diseñada para suministrar dicho parámetro de
calibración (INTc) como una función de la medición de la
conductividad eléctrica del primer material (CDc).
7. El procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes,
en el que dicha etapa de procesar (34) los datos
de referencia (CD, X, Y, S) prevé procesar los segundos (S) de
dichos datos de referencia.
8. El procedimiento según la Reivindicación 7,
en el que dichos segundos datos de referencia comprenden datos de
espesor (S) de dichas muestras de segundos materiales que tienen una
y la misma conductividad eléctrica, para una pluralidad de valores
de temperatura dados (T1, T2, T3).
9. El procedimiento según la Reivindicación 8,
en el que dichos datos de espesor (S) se obtienen a medida que varía
la frecuencia de trabajo (F) del sensor de microondas (13) para cada
uno de dicha pluralidad de valores de temperatura (T1, T2, T3).
10. El procedimiento según la Reivindicación 8 o
la Reivindicación 9, en el que dichos parámetros de medición (F1_m,
F2_m, Amin_m) comprenden una primera frecuencia de interceptación
(F1_m) determinada procesando (73) un primer intervalo de valores de
la frecuencia de trabajo (F) del sensor de microondas (13) que
corresponden a un primer intervalo de valores de amplitud (A) de
dicha respuesta en frecuencia de la capa de primer material, en el
que dicho intervalo tiene una extensión dada del valor (DT) y está
centrado alrededor de un valor de amplitud igual a dicho parámetro
de calibración (INTc).
11. El procedimiento según la Reivindicación 10,
en el que el procesamiento de dichos datos de espesor (S) comprende
las etapas de:
- -
- extraer una pluralidad de valores de primera aproximación del espesor (S1, S2, S3) a partir de los datos de espesor (S) que corresponden a dicha pluralidad de valores de temperatura (T1, T2, T3) usando dicha primera frecuencia de interceptación (F1_m); e
- -
- interpolar (107, 108, 109) los valores de primera aproximación del espesor (S1, S2, S3) utilizando dicha temperatura (Tm) medida.
12. El procedimiento según una cualquiera de las
Reivindicaciones 3 a 11, en el que dichos datos de conductividad
eléctrica (CD) se determinan adquiriendo (42), por medio del sensor
de microondas (13) y a dicha temperatura ambiente (Tamb), una
primera pluralidad de curvas de respuesta en frecuencia de una
primera pluralidad respectiva de muestras de dichos segundos
materiales que tienen valores respectivos de conductividad
eléctrica; y asociando (43), a cada uno de los valores de
conductividad eléctrica, un valor de la amplitud mínima (Amin) de la
curva de respuesta en frecuencia de la muestra que tiene dicho valor
de conductividad eléctrica.
13. El procedimiento según una cualquiera de las
Reivindicaciones 6 a 12, en el que dichos coeficientes (X, Y) se
determinan: adquiriendo (44), por medio del sensor de microondas
(13) y a temperatura constante, una segunda pluralidad de curvas de
respuesta en frecuencia de una segunda pluralidad respectiva de
muestras de dichos segundos materiales, que tienen cada uno una
conductividad eléctrica respectiva escogida de entre una pluralidad
de valores de conductividad eléctrica (CD1, CD2, CD3) y un espesor
escogido de entre una pluralidad de valores de espesor de referencia
(SR, Sr', SR''); determinando (45, 46, 47) una pluralidad de valores
medios de la amplitud (INT1, INT2m, INT3m) que asumen las curvas de
respuesta a medida que varían los valores de conductividad eléctrica
(CD1, CD2, CD3) de tal modo que para cada valor de espesor de
referencia (SR, SR', SR'') las curvas detectarán un valor de
frecuencia dado respectivo (F1, F1\ F1''); y realizando (48) una
regresión lineal en los puntos identificados por los valores de
conductividad eléctrica (CD1, CD2, CD3) y por los valores medios
correspondientes de la amplitud (INT1, INT2m, INT3m).
14. El procedimiento según una cualquiera de las
Reivindicaciones 9 a 13, en el que dichos datos de espesor (S) se
determinan: adquiriendo (40), para cada valor de dicha pluralidad de
valores de temperatura (T1, T2, T3), una tercera pluralidad de
curvas de respuesta en frecuencia de una pluralidad respectiva de
muestras que tienen valores respectivos de espesor (S); y asociando
(41), a cada valor de espesor (S), un valor respectivo de dicha
frecuencia de trabajo (F) identificado por la curva de respuesta en
frecuencia correspondiente para uno y el mismo valor de amplitud
(INT1) determinado.
15. El procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, que comprende la etapa de almacenar
dichos datos de referencia (CD, X, Y, S).
16. El procedimiento según una cualquiera de las
Reivindicaciones 10 a 15, en el que dichos parámetros de medición
(F1_m, F2_m, Amin_n) comprenden: una segunda frecuencia de
interceptación (F2_m) determinada procesando (73) un segundo
intervalo de valores de la frecuencia de trabajo (F) por separado de
dicho primer intervalo de valores de la frecuencia de trabajo (F) y
que corresponden a dicho primer intervalo de valores de amplitud
(A); y un valor de amplitud mínima (Amin_n) de la misma respuesta en
frecuencia, obteniéndose dicho valor de amplitud mínima (Amin_n)
procesando (73) un segundo intervalo de valores de amplitud (A) que
corresponden a un tercer intervalo de valores de la frecuencia de
trabajo (F) comprendido entre la primera (F1_m) y la segunda (F2_m)
frecuencias de interceptación.
17. El procedimiento según la Reivindicación 16,
en el que dicha etapa de procesar (34) los datos de referencia (S,
CD, X, Y) con los parámetros de medición (F1_m, F2_m, Amin_m) prevé
procesar dichas primera y segunda frecuencias de interceptación
(F1_m, F2_m) junto con dicho valor de amplitud mínima (Amin_n) de la
capa de primer material por medio de una red neural artificial de
tal modo que se incremente la precisión sobre dicha medición de
espesor (Sm).
18. Un dispositivo para medir el espesor de una
capa de un primer material; comprendiendo el dispositivo (1) medios
de control (2), y medios de lectura (3) conectados a los medios de
control (2) y diseñados para ser puestos en contacto con la capa del
primer material; comprendiendo los medios de control (2) una unidad
de almacenamiento (18), una unidad de interfaz (20) para
comunicación con los medios de lectura (3), y una unidad de
procesamiento (21) conectada para comunicación con la unidad de
almacenamiento (18) y la unidad de interfaz (20); comprendiendo los
medios de lectura (3) un sensor de microondas (13) y un sensor de
temperatura (14); siendo cargada la unidad de procesamiento (21) con
un programa de control diseñado para implementar, cuando se ejecuta,
el procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones
precedentes.
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