ES2563052T3 - Procedimiento de fabricación de una cabeza de control de un sensor de control no destructivo con corrientes de Foucault - Google Patents

Procedimiento de fabricación de una cabeza de control de un sensor de control no destructivo con corrientes de Foucault Download PDF

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Abstract

Procedimiento de fabricación de una cabeza (10) de control de un sensor de control no destructivo con corrientes de Foucault, comprendiendo dicha cabeza de control al menos dos bobinas (E, R+, R-, E/R+, E/R-) con funciones de emisión y/o recepción, que comprende las etapas siguientes: - optimización (102) de una configuración geométrica (Pi, Pf) de las bobinas (E, R+, R-, E/R+, E/R-) de la cabeza de control (10) según al menos uno de los criterios siguientes: - minimización (C1) de una fuerza electromotriz E inducida en al menos una bobina con función de recepción (R+, R-; E/R+, E/R-) cuando la cabeza de control (10) está a una distancia nominal predeterminada de una pieza sin defecto a inspeccionar, y - maximización (C1) de una variación Δe de dicha fuerza electromotriz inducida E, debiéndose dicha variación Δe a la presencia de un defecto tipo a detectar en la pieza a inspeccionar cuando la cabeza de control (10) está a dicha distancia nominal de la pieza a inspeccionar, - Fabricación (106) de la cabeza de control (10) respetando la configuración geométrica (Pi, Pf) de las bobinas (E, R+, R-; E/R+, E/R-) realizando (104) dicha optimización (102) y - la optimización (102) de la configuración geométrica (Pi, Pf) de las bobinas (E, R+, R- ; E/R+, E/R-) se realiza además según un criterio al menos (C2, C3) de optimización de otra variación ΔE de dicha fuerza electromotriz inducida E, debiéndose esta otra variación ΔE a una variación de distancia entre la cabeza de control (10) y la pieza a inspeccionar, caracterizado porque la optimización (102) de la configuración geométrica de las bobinas comprende la optimización de dimensiones geométricas (Pf) de cada una de dichas bobinas (E, R+, R-; E/R+, E/R-).

Description

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Estos parámetros finales Pf comprenden principalmente al menos parámetros de dimensiones geométricas de cada una de las bobinas definidas en la etapa de inicialización 100. Por tanto, comprenden, por ejemplo, cuando las bobinas son anulares, los valores de los diámetros internos y externos de cada bobina y los valores de sus espesores respectivos. Los parámetros finales pueden además comprender el número de
5 espiras de cada bobina, o el valor de la distancia nominal entre la cabeza de control 10 y la pieza a inspeccionar cuando debe preverse una capa protectora y aislante entre las bobinas de la cabeza de control y la superficie de la pieza a inspeccionar contra la cual dicha capa protectora y aislante entra en contacto. Pueden comprender también el valor de la frecuencia eléctrica de las corrientes que circulan por las bobinas, aunque éste puede ser una variante impuesta en la inicialización 100.
10 Algunos de los parámetros finales están relacionados entre sí. Por ejemplo, debido a que no está permitido un solapamiento de las bobinas de recepción R+y R-debido a los parámetros impuestos en la inicialización 100 (son coplanarias), el diámetro externo de la más pequeña de estas dos bobinas es necesariamente inferior al diámetro interno de la otra. Otros parámetros tienen unrango de variación más limitado, por ejemploel número de espiras.
15 En el ejemplo de la figura 1, los criterios según los cuales se realiza la optimización multidimensional de la configuración geométrica de las bobinas comprenden un primer criterio denominado C1 de:
-minimización de una fuerza electromotriz E inducida en los bornes del circuito constituido por las dos bobinas de recepción R+ y R-cuando la cabeza de control 10 está a una distancia nominal h predeterminada de una pieza sin defecto a inspeccionar, y/o
20 -maximización de una variación Δe de dicha fuerza electromotriz inducida E, debiéndose dicha variación Δe a la presencia de un defecto tipo a detectar en la pieza a inspeccionar cuando la cabeza de control está a la distancia nominal h.
El criterio C1 puede entonces calificarse como criterio de minimización del acoplamiento directo E (que incluye el efecto de la proximidad de una pieza sin defecto a inspeccionar) entre las funciones de emisión y
25 de recepción de la cabeza de control 10, según la medición Δe que debe ser efectuada por la cabeza de control 10 para detectar eventuales defectos.
A título de ejemplo, el criterio C1 puede definirse con mayor precisión para maximizar la variación Δe debida a la presencia de un defecto en relación al acoplamiento directo E, lo que puede expresarsebásicamente con la ayuda del ratio |E|/|Δe| a minimizar, donde |E| y |Δe| son los módulos respectivos de E y Δe cuando dichas
30 medidas están expresadas en forma compleja. Como variante, el criterio C1 puede adquirir formas distintas a las del ratio expresado anteriormente, pueden imaginarse numerosas formas equivalentes para maximizar Δe con respecto a E.
Una ilustración de la optimización del criterio C1 se muestra en la figura 2,donde un diagrama representa, en el plano complejo, las variaciones de la fuerza electromotriz inducida E+Δe en los bornes del circuito de 35 recepción de la cabeza de control 10 en presencia de un defecto tipo en la pieza a inspeccionar. La señal característica del defecto tipo a detectar es la curva cerrada Dh en forma de “8”. Su mayor dimensión da la amplitud máxima de la variación de la fuerza electromotriz inducida debida a la presencia del defecto tipo. Dicha amplitud máxima puede considerarse como valor de |Δe|. La distancia entre el centro de la curva Dh (ausencia de defecto detectado) y el centro O del plano complejo da el valor de |E|. La optimización del
40 criterio C1 consiste entonces en obtener la curva Dh lo más grande posible y la más próxima posible al origen O del plano complejo.
En el ejemplo de la figura 1, los criterios según los cuales se realiza la optimización multidimensional de la configuración geométrica de las bobinas comprenden además un segundo criterio denominado C2 de optimización de otra variación ΔE de dicha fuerza electromotriz inducida E, debiéndose esta variación ΔE a
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una variación de la distancia entre la cabeza de control 10 y la pieza a inspeccionar, por ejemplo cuando la cabeza de control 10está desplazada con respecto a la pieza.
El criterio C2 puede calificarse entonces como criterio de minimización de la sensibilidad de la cabeza de control 10 a las variaciones entrehierro. Además, puede expresarse en relación a la medida Δe que debe ser 5 efectuada por la cabeza de control 10 para detectar eventuales defectos. A título de ejemplo, el criterio C2 puede definirse con mayor precisión con el fin de maximizar la variación Δe debida a la presencia de un defecto con respecto a la variación ΔE debida a las variaciones entrehierro, lo que puede expresarse esencialmente mediante el ratio |ΔE|/|Δe| a minimizar, siendo |ΔE| y |Δe| los módulos respectivos de ΔE y Δe cuando esas dimensiones están expresadas en forma compleja. Como variante, el criterio C2 puede adquirir
10 formas diferentes a las del ratio expresado anteriormente, pueden imaginarse numerosas formas equivalentes para maximizar Δe con respecto a ΔE.
Una ilustración de la optimización del criterio C2 se muestra en la figura 3, donde un diagrama representa, en el plano complejo, las variaciones de la fuerza electromotriz inducida E+Δe en los bornes del circuito de recepción de la cabeza de control 10 en presencia de un defecto tipo en la pieza a inspeccionar, para dos 15 valores de distancia entre la cabeza de control 10 y la pieza a inspeccionar, por ejemplo la distancia nominal h anteriormente citada y otra distancia h+Δh. Se obtienen así dos curvas cerradas en forma de “8” aproximadamente del mismo tamaño, pero desfasadas una con respecto a la otra. La primera es la curva Dh de la figura 2, la segunda es una curva Dh+Δh correspondiente a la distancia h+Δh. La distancia entre el centro de la curva Dh y el de la curva Dh+Δh da el valor de |ΔE|, mientras que la de |Δe| siempre está dada por la
20 mayor dimensión de la curva Dh (o Dh+Δh). La optimización del criterio C2 consiste entonces en conseguir que las curvas Dh y Dh+Δh estén lo más cerca posible entre sí en el plano complejo.
En el ejemplo de la figura 1, los criterios según los cuales está realizada la optimización multidimensional de la configuración geométrica de las bobinas comprenden además un tercer criterio denominado C3 de optimización de la variación ΔE.
25 El criterio C3 puede calificarse entonces, como el criterio C2, como criterio de minimización de la sensibilidad de la cabeza de control 10 a las variaciones entrehierro. También puede expresarse en relación a la medida Δe que debe ser efectuada por la cabeza de control 10 para detectar eventuales defectos.
A título de ejemplo, el criterio C3 puede ser definido más precisamente con el fin de optimizar el desfase entre la variación Δe debida a la presencia de un defecto y la variación ΔE debida a las variaciones entrehierro, con
30 el fin de poder discriminar con mayor facilidad estas dos variaciones. En particular se pretende que dicho desfase sea lo más próximo posible a un ángulo recto, es decir ±π/2. El criterio C3 puede ser expresado básicamente mediante el ratio siguiente a minimizar:
imagen6
o de modo equivalente
Donde φ(ΔE) y φ(Δe) son las fases respectivas de ΔE y Δe expresadas en forma compleja, siendo |Δe| siempre el módulo de Δe. Como variante, el criterio C3 puede adquirir otras formas que la de uno de los dos ratios expresados anteriormente, pueden imaginarse numerosas formas equivalentes para optimizar el desfase entre Δe y ΔE.
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Una ilustración de la optimización del criterio C3 se muestra en la figura 4, dondeel diagrama representa, en el plano complejo, las mismas curvas Dh y Dh+Δh que en la figura 3. Pero en la figura 4, para la consideración del criterio C3, es el desfase φ(ΔE)-φ(Δe) entre Δe y ΔE el valor pertinente para optimizar, aproximándolo lo más posible a un ángulo recto. La optimización del criterio C3 consiste entonces en tratar de que el desfase
5 entre las curvas Dh y Dh+Δh sea lo más ortogonal posible al vector Δe, teniendo éste último el módulo más grande posible.
En el ejemplo de la figura 1, los tres criterios C1, C2 y C3 se utilizan durante la etapa de optimización 102. Pero como variante y siempre manteniéndose en el marco de la invención, únicamente los criterios C1 y C2,
o C1 y C3 podrían ser tomados en cuenta.
10 La etapa de optimización 102, multidimensional (por la presencia de varios parámetros finales Pf a optimizar), a priori no lineal, no limitada y con criterios múltiples (por la consideración de C1 y C2, o C1 y C3, o C1 y C2 y C3), puede ejecutarse mediante diferentes algoritmos conocidos. De forma práctica, formalizando esta optimización en forma de una función multidimensional, no lineal y no limitada a minimizar, puede emplearse el algoritmo de Nelder-Mead en esta etapa del proceso de fabricación. Como variante, también pueden ser
15 utilizados algoritmos genéricos menos sensibles a los mínimos locales.
Durante dicha optimización de los parámetros finales Pf para responder a los criterios adoptados, la configuración geométrica de las bobinas ventajosamente se simula para evaluar el acoplamiento directo E, dicha variación Δe y la otra variación ΔE. La simulación se realiza, por ejemplo, con el programa de simulación de control no destructivo conocido bajo el nombre de CIVA (marca registrada), o cualquier otro
20 programa de simulación, principalmente por elementos acabados.
A la etapa de optimización 102 le sigue una etapa 104 de selección de los parámetros finales Pf que realiza dicha optimización.
Finalmente, durante una etapa final 106, se fabrica la cabeza de control 10 respetando la configuración geométrica de las bobinas definida por los parámetros iniciales Pi y finales Pf.
25 Tal como se ilustra en la figura 1, parte inferior, en corte y en vistas en planta, la cabeza de control 10 obtenida después de la etapa de fabricación 106 está realizada concretamente con un film flexible de poliimida de 50 µm de espesor que presenta cuatro capas L1, L2, L3 y L4. El espesor de las tres bobinas E, R+ y R-es, por ejemplo, igual al espesor de una pista de cobre, o sea para este ejemplo de 9 µm. Para la bobina con función de emisión E, el circuito de emisión donde está integrada así como sus espiras están
30 materializadas con un cable de cobre WE. Para las dos bobinas con función de recepción R+ y R-, el circuito de recepción en el cual están montadas en modo diferencial así como sus espiras están hechas con un cable de cobre WR.
En la capa inferior L1, el cable de cobre WR se enrolla en un primer sentido a partir del diámetro externo de la bobina R+ hasta su diámetro interno, formando así la bobina R+, y se enrolla en un segundo sentido opuesto 35 al primero a partir del diámetro externo de la bobina R-hasta su diámetro interno, formando así la bobina R-. A continuación sube a lo largo del eje común de las dos bobinas R+ y R-hacia la capa L2, mediante una conexión.Dicha capa L2 cumple simplemente una función de guía del cable de cobre WR para formar el circuito de recepción. En la capa L3, el cable de cobre WE se enrolla en un sentido predeterminado a partir del diámetro externo de la bobina E hasta su diámetro interno, formando así la bobina E. Sube a continuación a
40 lo largo del eje de la bobina E, que es igualmente común a las dos bobinas R+ y R-, hacia la capa superior L4 mediante una conexión. Dicha capa superior L4 cumple simplemente una función de guía del cable de cobre WE para formar el circuito de emisión.
En un marco experimental, se sumaron las condiciones siguientes:
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-el número de espiras de las tres bobinas debe ser máximo para incrementar la sensibilidad y, por razones tecnológicas, se fija en 160 µm la resolución de las espiras (ancho pista de cobre + ancho aislante entre espiras),
-los diámetros interiores y exteriores de las bobinas se ajustan para obtener un número entero de 5 espiras, -se utiliza un celo de poliimida autoadhesivo de 50 µm de espesor para proteger el frente de la cabeza de control 10 en contacto con la pieza a inspeccionar, -el defecto tipo para detectar en la pieza es el siguiente: defecto superficial de 1 mm de longitud, 100 µm de ancho y 500 µm de profundidad, 10 -la variación entrehierro Δh tenida en cuenta en la etapa de optimización 102 es de 25 µm durante el desplazamiento de la cabeza de control 10, -la frecuencia eléctrica de las corrientes que circulan en las bobinas se fija inicialmente en 1MHz, ajustándose también dicho parámetro durante la etapa de optimización 102.
Según una ponderación de los tres criterios C1, C2 y C3 que favorece a los dos primeros, en la etapa 104 se 15 obtiene por ejemplo la configuración geométrica siguiente:
Bobina de emisión E: -diámetro interno = 0,3880 mm, -diámetro externo = 6,3080 mm, -número de espiras = 19.
Bobina de recepción R-: diámetro interno = 1,4240 mm, 20 -diámetro externo = 3,5040 mm, -número de espiras = 7.
Bobina de recepción R+: -diámetro interno = 4,3640 mm, -diámetro externo = 5,4840 mm, -número de espiras = 4.
25 Frecuencia eléctrica optimizada: muy próxima a 1 MHz.
Para esta configuración, la figura 5 ilustra, mediante un diagrama equivalente al de la figura 3 o 4, las curvas Dh y Dh+Δh, con h = 50 µm y Δh = 25 µm.
Se observa que:
-ante la ausencia de defecto (centro de la curva Dh), la señal detectada es muy próxima al origen O 30 del plano complejo, por tanto el acoplamiento directo E es casi nulo, -además, el acoplamiento directo E es muy reducido ante la variación Δe debida a la presencia del defecto tipo (criterio C1 respetado), -durante una variación entrehierro Δh, la variación ΔE debida a dicha variación entrehierro es muy reducida ante la variación Δe debida a la presencia del defecto tipo (criterio C2 respetado), y 35 -la diferencia de fase entre ΔE y Δe es próxima a 5π/12 (criterio C3 respetado en menor medida).
Según otra ponderación de los tres criterios C1, C2 y C3 que favorece al tercero, en la etapa 104se obtiene por ejemplo la configuración geométrica siguiente:
Bobina de emisión E: -diámetro interno = 0,3780 mm, -diámetro externo = 6,2980 mm, 40 -número de espiras = 19.
Bobina de recepción R-: diámetro interno = 1,5180 mm, -diámetro externo = 3,9180 mm, -número de espiras = 8.
Bobina de recepción R+: -diámetro interno = 4,1300 mm, -10
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