ES2263856T3 - Metodo y sistema para evaluar el grado de compactacion local de u nmaterial granular. - Google Patents
Metodo y sistema para evaluar el grado de compactacion local de u nmaterial granular.Info
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Abstract
Un método para evaluar el grado de compactación local del material granular dentro de un recipiente que comprende las etapas de: - establecer un sistema de evaluación del grado de compactación (1) que comprende un detector capacitivo (5), y un circuito de acondicionamiento y control (6) para acondicionar y controlar dicho detector (5), siendo capaz también dicho circuito (6) de evaluar la variación de la impedancia del detector (5); - colocar dicho detector (5) dentro una región de dicho recipiente (3), en la que se va a evaluar el grado de compactación de dicho material granular (2); - introducir dicho material granular (2) en dicho recipiente (3) y en contacto o próximo a dicho detector (5); - evaluar directamente mediante dicho circuito (6) el grado de compactación local in situ del material granular (2) en contacto o próximo a dicho detector (5), basándose en la variación en el componente capacitivo de la impedancia de dicho detector (5); y caracterizado porque la medida de los componentes resistivo e inductivo de la impedancia de dicho detector (5) para identificar cualquier efecto falso o sinergias indeseadas entre dichos efectos falsos y el grado de compactación del material granular (2).
Description
Método y sistema para evaluar el grado de
compactación local de un material granular.
La presente invención se refiere a un método y
sistema para evaluar el grado de compactación local de un material
granular.
El moldeo con arena es uno de los métodos usados
más habitualmente en la industria de fundición y se ha desarrollado
durante años de manera que ahora existen muchas maneras diferentes
para obtener moldes para moldear piezas muy complejas con un una
buena precisión dimensional. Uno de los métodos más avanzados a este
respecto es el conocido como "Moldeo de Espuma Perdida".
El denominador común de todos los métodos de
moldeo con arena es el uso de arena como material moldeable para
soportar el metal, y que forma un "negativo" del moldeo
requerido. En el caso de moldes complejos en particular, sin
embargo, es difícil asegurar que todos los huecos del patrón (que
finalmente forman huecos o cavidades indeseadas en la pieza
acabada) se rellenen con arena hasta un grado adecuado de
compactación. Además, en el Moldeo de Espuma Perdida, no se añaden
aglutinantes poliméricos a la arena, de manera que el moldeo depende
principalmente de la compactación de la propia arena.
Para asegurar que todos los huecos se rellenan
completamente con arena, se aplica vibración mecánica al patrón y
al encofrado que contiene la arena, de manera que la arena fluye
hacia todas las cavidades y huecos; un llenado completo del
encofrado debe ir acompañado de una compactación adecuada de la
arena, la ausencia de cualquiera de estas condiciones puede afectar
negativamente a la calidad y dar como resultado el rechazo del
molde acabado.
Actualmente, la única manera de evaluar el grado
de compactación de la arena dentro del encofrado es caracterizando
y controlando la vibración del encofrado. Dicho método, sin embargo,
siendo indirecto, no asegura la ausencia de defectos de moldeo
individuales provocados por un grado de compactación local
inadecuado o de relleno; dicha incertidumbre, particularmente en el
caso de moldes muy complejos, puede dar como resultado un gran
número de rechazos.
El documento US-5.996.681
describe un sistema de control de calidad de un molde de moldeo, en
el que los moldes se miden usando detectores de proximidad para
evitar defectos de moldeo, pero que no estipulan la evaluación del
grado de compactación de la arena.
A partir del documento
US-A-5 898 309, se conoce un método
para determinar la densidad volumétrica aparente del material
granular plástico, usando un detector de capacitancia.
A partir del documento
US-A-5 900 736, se conoce un
indicador de densidad que usa capacitancias para determinar la
densidad del material de pavimentación mientras se realiza la
pavimentación. El detector puede transportarse a mano y moverse
sobre el material de pavimentación.
A partir del documento DE 26 27 904 A, se
conocen un método y un dispositivo para evaluar la humedad del
material en polvo, o la arena del molde. En él, una parte
minoritaria del material se hace pasar a través de un detector de
humedad, y se comprime entre los electrodos del detector.
Un objeto de la presente invención es eliminar
los inconvenientes del estado de la técnica conocido proporcionando
un método y sistema de evaluación del grado de compactación, que
proporciona la evaluación local y directa del grado de compactación
de la arena del molde, o más en general, un material granular dentro
de un recipiente, y que es muy fiable y barato.
De acuerdo con la presente invención, se
proporciona un método de acuerdo con la reivindicación 1, y un
sistema de acuerdo con la reivindicación 9.
Se caracterizan porque un circuito evalúa los
componentes resistivo e inductivo de la impedancia del detector
para obtener una evaluación del grado de compactación del material
granular más fiable identificando cualquier efecto falso o
sinergias indeseadas de diversos fenómenos. Por ejemplo, una
variación en la humedad del material granular puede provocar una
variación en su constante dieléctrica que, sin embargo, puede
eliminarse midiendo la resistividad. La contaminación del material
granular (residuo carbonoso, partículas metálicas) puede producir
también señales falsas aunque pueden contrarrestarse midiendo y
correlacionando apropiadamente los parámetros resistivo e inductivo
de impedancia.
En el caso de la industria de fundición, el
detector de acuerdo con la invención proporciona la evaluación del
grado de compactación de arena local y suministra una señal
analógica proporcional; y el principio físico en el que se basa la
evaluación permite que el detector pueda producirse con diversas
formas, tamaños y materiales (rígido o flexible) para adaptarse
perfectamente a las regiones de control más críticas.
El uso del detector de acuerdo con la invención
mejora por lo tanto el control del proceso para reducir el número
de rechazos, mediante la evaluación del grado de compactación de la
arena permitiendo eliminar cualquier encofrado, preforma, núcleo o
similar preparado en malas condiciones de la línea de producción
antes de proceder a etapas de producción posteriores.
Numerosas realizaciones preferidas no limitantes
de la invención se describirán a modo de ejemplo haciendo
referencia a los dibujos adjuntos en los que:
la Figura 1 muestra un sistema de evaluación del
grado de compactación de un material granular usando un detector
capacitivo, de acuerdo con la invención;
la Figura 2 muestra un primer diseño geométrico
de las dos o más placas que constituyen la pieza sensible del
sistema detector de la Figura 1;
la Figura 3 muestra una sección parcial a gran
escala del detalle de la Figura 2;
las Figuras 4 y 5 muestran dos diseños
geométricos adicionales de las placas sensibles;
la Figura 6 muestra un diseño geométrico
adicional de las placas sensibles;
la Figura 7 muestra una vista frontal de las
placas detectoras de la Figura 6.
Haciendo referencia a la Figura 1, el número 1
indica todo el sistema para evaluar el grado de compactación local
de un material granular 2 dentro de un recipiente 3. El sistema de
evaluación 1 comprende un detector capacitivo 5 y un circuito 6
para el detector de acondicionamiento y control 5, y que indica
también el grado de compactación correspondiente a la señal
recibida del detector 5, como se explica con detalle a
continuación.
A modo de ejemplo, el recipiente 3 puede
definirse mediante un encofrado que contiene un patrón 7, y en el
que se forma un molde para moldear metal fundido en una pieza
correspondiente al patrón 7 de una manera conocida a partir de
arena. El detector 5 se localiza en una región en la que el grado de
compactación de la arena debe evaluarse - normalmente una región de
llenado crítico de arena; y la arena debe situarse próxima a o en
contacto con el detector 5.
El funcionamiento del sistema de evaluación 1
usando el detector capacitivo 5 se basa en la variación en las
características electromagnéticas (constante dieléctrica,
resistividad eléctrica, reluctancia magnética o permeabilidad) de
un volumen de material a través del que fluye un campo
electromagnético. Dichas características electromagnéticas se
pueden relacionar por lo tanto directamente con el grado de
compactación del material, como se explica posteriormente en este
documento. El campo electromagnético está inducido por, y en un área
adyacente a, las dos o más placas del detector 5. Y para que el
detector 5 sea sensible a las variaciones en las características
electromagnéticas en un espacio tan grande y accesible como sea
posible, opuesto a simplemente el espacio entre las placas, la
estructura y la forma de las placas es tal que enfatiza los efectos
de borde, como se explica posteriormente.
El campo electromagnético producido por las
placas cubre un volumen dado correspondiente al interior del
encofrado o molde en el que se va a evaluar el grado de
compactación de la arena. El examen, en particular, del componente
capacitivo de la impedancia del detector, que se calcula usando
diferentes ecuaciones dependiendo de la geometría de las placas,
muestra que es directamente proporcional a la constante dieléctrica
del medio a través del que viaja el campo.
Una diferencia en el grado de compactación de la
arena puede describirse como una variación en el porcentaje de un
volumen de espacio ocupado por la arena opuesto al aire del
ambiente. La constante dieléctrica de la mezcla aire/arena puede
expresarse, por lo tanto, mediante la ecuación:
\varepsilon =
\varepsilon_{0} \cdot \{S\cdot\varepsilon_{rS} +
(1-S)\cdot
\varepsilon_{rA}\}
en la que S es la fracción de
volumen ocupado por la arena; \varepsilon_{rS} es la constante
dieléctrica de la arena; \varepsilon_{rA} es la constante
dieléctrica del aire (u otra sustancia para el proceso gaseoso); y
\varepsilon_{0} es la constante dieléctrica del
vacío.
Como la constante dieléctrica de la arena
\varepsilon_{rS} se diferencia considerablemente de la del aire
(con un contenido de agua de 0,1 g/cm^{3}, la constante
dieléctrica de la arena es \sim 6 F/m opuesto al \sim 1 F/m
para el aire), cuando el porcentaje en volumen de la arena aumenta
con respecto al del aire, el valor del componente capacitivo de la
impedancia del detector (directamente proporcional a \varepsilon)
muestra el siguiente patrón:
- una variación inicial aguda,
provocada por el primer llenado;
- una variación adicional, provocada
por la compactación de la arena, cuyo porcentaje en volumen, de
hecho, va del 0% a mayor del 70%.
La medida del valor de capacitancia puede
normalizarse por lo tanto, por ejemplo, como una función del grado
de compactación de la arena para obtener un parámetro que varía del
0% (detector en aire) al 100% (detector 5 en arena totalmente
compactada), y que puede calibrarse para adaptarse a las variaciones
de las propiedades del material granular (normalmente arena),
debido, por ejemplo, a diferentes suministradores o variaciones en
las condiciones ambientales. A este respecto, la medida de los
componentes resistivo e inductivo de la impedancia del detector
asegura una evaluación más fiable del grado de compactación del
material granular identificando cualquier efecto falso (por
ejemplo, variación en la humedad del material granular,
contaminación por residuos carbonosos o partículas metálicas) o
sinergias indeseadas entre los fenómenos anteriores y el grado de
compactación del material granular.
Haciendo referencia a las Figuras 2 y 3, el
detector 5 comprende un capacitor 8 definido por dos placas 9 y 10,
teniendo cada una una superficie externa 15 y adaptadas a un soporte
16. Las placas 9 y 10 se separan mediante un dieléctrico 11,
normalmente aire, y están definidas por dos peines opuestos,
teniendo cada uno un número respectivo de segmentos rectos
intercalados 12 y 13. Cuando se suministra una tensión alternativa,
las placas 9 y 10 generan un campo electromagnético que comprende un
campo electromagnético exterior 14 (Figura 3) próximo a, y
localizado alrededor de las superficies 15, de las placas 9 y
10.
El capacitor 8 está diseñado para generar
principalmente el campo electromagnético 14 mediante los efectos de
borde de las placas 9 y 10. Debido a la variación en la constante
dieléctrica del dieléctrico efectuada por el campo electromagnético
14, el material granular 2 próximo a las placas 9 y 10 provoca una
variación en el componente capacitivo de la impedancia del detector
5; y la geometría de las placas está diseñada para maximizar la
longitud de las porciones conductoras que están de frente,
manteniendo un área total tan pequeña como sea posible para
maximizar el componente capacitivo de la inductancia.
El sistema 1 evalúa la variación en la
impedancia del detector 5. El circuito 6 suministra una señal
eléctrica análoga proporcional a la impedancia instantánea del
detector 5, y, como el componente capacitivo de la impedancia está
directamente relacionado con el grado de compactación, indica el
grado de compactación local del material granular 2. El circuito 6
puede diseñarse también para suministrar una señal proporcional al
grado de compactación en tiempo real.
El circuito 6 mide también los componentes
resistivo e inductivo del detector 5, para realizar correcciones al
valor del grado de compactación del material granular.
En la variación de la Figura 4, las placas 9 y
10 están en la forma de dos espirales coplanares, concéntricas
definidas por segmentos circulares 17. En la variación de la Figura
5, las placas 9 y 10 están definidas por dos espirales coplanares
concéntricas definidas por segmentos rectos 18.
Las placas 9 y 10 del capacitor 8 en las Figuras
2-5 pueden definirse mediante placas finas, rígidas
o flexibles adaptadas a un soporte 16, que puede adaptarse a o
incorporarse a una región seleccionada del recipiente 3. Las placas
9 y 10 pueden definirse también mediante una película conductora
gruesa o fina aplicada al soporte 16, que puede definirse mediante
una película adhesiva fina diseñada para pegarse a la región
seleccionada del recipiente 3. Finalmente, las placas 9 y 10 pueden
formarse depositando una
película fina directamente sobre el recipiente 3 o el patrón 7.
película fina directamente sobre el recipiente 3 o el patrón 7.
El material granular 2 puede definirse mediante
arena o arena mezclada con aditivos y/o aglutinantes. El recipiente
3 puede definirse mediante un encofrado que contiene el patrón 7 y
que se rellena con arena para formar un molde para el moldeo de
metales; o el recipiente 3 puede definirse mediante un molde de
núcleo de fundición.
El recipiente 3 puede definirse también mediante
un molde que contiene una agrupación de espuma polimérica para el
Moldeo de Espuma Perdida, o un polímero en gránulos, o cerámico en
polvo o granular. El recipiente 3 puede definirse también como
parte de una línea de transporte o carga. Finalmente, el material
granular 2 puede definirse mediante arena o grava de construcción,
en cuyo caso, el recipiente 3 puede definirse mediante un depósito,
o un vehículo, o una mezcladora de cemento.
En la realización de las Figuras 6 y 7, las
placas del capacitor 8 pueden definirse mediante dos cilindros
coaxiales 19 y 20 preparados a partir de material eléctricamente
conductor, separados por un anillo 21 de material aislante, y que
tienen bordes anulares respectivos 22 y 23, que definen la región de
campo externo 14.
En cualquier caso, el detector 5, con las placas
9, 10 o 19, 20, de cualquier forma, se sitúa en el interior del
recipiente 3, en la región en la que se va a determinar el grado de
compactación del material granular 2; las placas 9, 10 o 19, 20 del
detector 5 se conforman para maximizar los efectos de borde en la
generación del campo electromagnético; y la variación en el
componente capacitivo de la impedancia del detector 5, cuando el
material granular 2 se suministra al recipiente 3 y en contacto con
el detector 5, puede estar relacionado con el grado de compactación
del material granular.
La variación en el componente capacitivo de la
impedancia del detector 5, y por lo tanto en el grado de
compactación del material granular, se miden mediante el circuito
de acondicionamiento y control 6, que convierte la variación de
impedancia en una señal eléctrica que puede tomarse y procesarse
mediante ordenador. Una realización de la invención emplea un
circuito resonante en cuyo caso la variación de impedancia está
relacionada con la frecuencia del circuito.
El principio físico y las estructuras del
detector 5 descrito anteriormente (u otras estructuras operativas
comparables) permiten por lo tanto un amplio intervalo de
aplicaciones según se requiera en cada caso particular. A
continuación se da una lista de realizaciones preferidas del
detector 5.
a) detector autónomo 5, por ejemplo, como
se muestra en las Figuras 2, 4, 5 o 6, que tiene una estructura
independiente, puede ser de diversos tamaños, puede adaptarse a las
regiones de los recipientes 3, o moldes o patrones, en los que se
va a evaluar el grado de compactación de la arena y, si fuera
necesario, puede eliminarse fácilmente para un uso adicional.
b) detector 5 sobre un soporte fino,
rígido o flexible, por ejemplo como se muestra en las Figuras
2-5, en el que las placas 9 y 10 pueden definirse
mediante placas rígidas o flexibles, posiblemente sobre un soporte
16 en forma de una película fina, flexible, adhesiva aplicada a o
incorporada en el patrón o recipiente 3.
c) detector in situ 5, en
particular adaptado a agrupaciones de espuma polimérica para Moldeo
de Espuma Perdida. Usando impresión por serigrafía o cualquier otro
método de deposición de película fina, puede formarse una
estructura de segmentos intercalados o espirales concéntricas
directamente sobre la superficie de la agrupación; en cuyo caso el
detector 5 puede ser "desechable". Si la abrasión de la arena
es un problema, el detector 5 puede tener un recubrimiento
protector depositado sobre las superficies 15 de las placas 9,
10.
Los patrones de moldeo complejos pueden
desarrollarse más rápido y con mayor beneficio equipando regiones
de compactación de arena críticas con los detectores apropiados,
reduciendo de esta manera el riesgo de errores que por otro lado
solo podrían detectarse después de verter y examinar los moldeos
acabados. Las piezas desarrolladas recientemente pueden
comercializarse también de una manera más rápida determinando más
pronto los parámetros de proceso óptimos.
Como se ha indicado, los detectores capacitivos
5 de acuerdo con la presente invención pueden usarse para equipar
la línea de moldeo de encofrado, moldes de núcleo de arena, etc. Y
el circuito 6 puede diseñarse para un llenado continuo con control
in situ de la arena y etapa de compactación, que nunca antes
se había controlado directamente, para evitar el uso de menos
encofrados imperfectos, y reducir por lo tanto el número de
rechazos.
Si los valores de grado de compactación son
demasiado bajos, el recipiente 3 puede hacerse vibrar para conseguir
el grado de compactación deseado, que puede controlarse mediante el
sistema de evaluación 1. El método y sistema de evaluación del
grado de compactación de acuerdo con la invención puede usarse en
cualquier aplicación que requiere el control del grado de
compactación de los materiales granulares, por ejemplo líneas para
transporte y carga de polímero granular o materiales cerámicos;
construir depósitos de arena y grava o sobre vehículos en
mezcladoras de cemento.
Claramente, pueden realizarse cambios al método
y sistema de evaluación como se ha descrito en este documento sin
alejarse, sin embargo, del alcance de las reivindicaciones
adjuntas.
Claims (19)
1. Un método para evaluar el grado de
compactación local del material granular dentro de un recipiente
que comprende las etapas de:
- establecer un sistema de evaluación
del grado de compactación (1) que comprende un detector capacitivo
(5), y un circuito de acondicionamiento y control (6) para
acondicionar y controlar dicho detector (5), siendo capaz también
dicho circuito (6) de evaluar la variación de la impedancia del
detector (5);
- colocar dicho detector (5) dentro
una región de dicho recipiente (3), en la que se va a evaluar el
grado de compactación de dicho material granular (2);
- introducir dicho material granular
(2) en dicho recipiente (3) y en contacto o próximo a dicho
detector (5);
- evaluar directamente mediante dicho
circuito (6) el grado de compactación local in situ del
material granular (2) en contacto o próximo a dicho detector (5),
basándose en la variación en el componente capacitivo de la
impedancia de dicho detector (5); y caracterizado porque
la medida de los componentes resistivo e
inductivo de la impedancia de dicho detector (5) para identificar
cualquier efecto falso o sinergias indeseadas entre dichos efectos
falsos y el grado de compactación del material granular (2).
2. Un método de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque dicho detector (5)
comprende un capacitor (8) que tiene dos o más placas (9, 10; 19,
20); para generar un campo electromagnético (14) próximo a dichas
placas (9, 10; 19, 20).
3. Un método de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicho circuito de acondicionamiento y control (6) indica
dicho grado de compactación continuamente durante la compactación
del material granular.
4. Un método de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado
porque dicho material granular (2) está definido por arena, o por
arena mezclada con aditivos y/o aglutinantes; estando definido
dicho recipiente (3) por un encofrado o por un patrón de moldeo de
metal.
5. Un método de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado
porque dicho material granular está definido por arena, o por arena
mezclada con aditivos y/o aglutinantes; estando definido dicho
recipiente (3) por un molde de núcleo de fundición.
6. Un método de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado
porque dicho material granular (2) está definido por arena; estando
definido dicho recipiente (3) por un encofrado que contiene una
agrupación de espuma polimérica para Moldeo de Espuma Perdida.
7. Un método de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado
porque dicho material granular (2) es un polímero en gránulos o un
cerámico en polvo o granular; formando parte dicho recipiente (3)
de una línea de transporte y/o carga.
8. Un método de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado
porque dicho material granular (2) está definido por arena y/o
grava de construcción; estando definido dicho recipiente (3) por un
depósito, o por un vehículo industrial, o una mezcladora.
9. Un sistema para evaluar el grado de
compactación local de un material granular (2) dentro de un
recipiente (3), que comprende un detector capacitivo (5) definido
por un capacitor (8) que a su vez comprende dos o más placas de
armadura (9, 10; 19, 20) y un circuito de acondicionamiento y
control (6) para acondicionar y controlar dicho detector (5); dicho
capacitor (8) tiene una capacitancia dada sin carga; cuando dicho
detector (5) comprende una superficie externa (15) formada tal como
se sitúa durante el uso, en contacto o próxima a dicho material
granular (2); dicho circuito (6) recibe de dicho detector (5) una
señal que indica la variación en el componente capacitivo de la
impedancia de dicho detector (5), cuando dicha superficie (15) entra
en contacto o está próxima a dicho material granular (2), y en
consecuencia indica el grado de compactación local in situ
de dicho material granular (2); caracterizado porque dicho
circuito (6) está adaptado también para medir los componentes
resistivo e inductivo de dicho detector (5), para identificar
cualquier efecto falso o sinergias indeseadas entre dichos efectos
falsos y el grado de compactación del material granular (2).
10. Un sistema de acuerdo con la
reivindicación 9, caracterizado porque las placas (9, 10; 19,
20) de dicho capacitor (8) se localizan sobre un soporte (16) que
se adapta o se incorpora a dicho recipiente (3).
11. Un sistema de acuerdo con la
reivindicación 10, caracterizado porque dichas placas (9, 10)
se definen mediante placas finas, rígidas o flexibles.
12. Un sistema de acuerdo con la
reivindicación 11, caracterizado porque dichas placas (9, 10)
se definen mediante una película conductora gruesa o fina.
13. Un sistema de acuerdo con la
reivindicación 12, caracterizado porque dicho soporte (16)
está definido por una película adhesiva fina que se aplica a dicho
recipiente (3).
14. Un sistema de acuerdo con la
reivindicación 12, caracterizado porque dicho recipiente (3)
está definido mediante un encofrado que contiene una agrupación de
espuma polimérica para Moldeo de Espuma Perdida; estando depositada
dicha película fina directamente sobre una superficie de dicha
agrupación.
15. Un sistema de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, caracterizado
porque dichas placas (9, 10) comprenden dos o más números de
segmentos rectos intercalados (12, 13).
16. Un sistema de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, caracterizado
porque dichas placas (9, 10) están definidas por dos o más
espirales coplanares concéntricas definidas por porciones circulares
(17) o rectas (18).
17. Un sistema de acuerdo con la
reivindicación 10, caracterizado porque dichas placas están
en forma de dos o más cilindros concéntricos (19, 20) de longitud
dada.
18. Un sistema de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 9 a 17, caracterizado
porque dichas placas (9, 10; 19, 20) tienen un recubrimiento
protector.
19. Un sistema de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 9 a 18, caracterizado
porque dichas placas (9, 10; 19, 20) están estructuradas para
generar, mediante efectos de borde, un campo electromagnético (14)
próximo a la superficie (15) de dicho detector (5).
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