ES2278779T3 - Medicion de resonancia ferromagnetica. - Google Patents
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Abstract
Método para la determinación no destructiva del grado de corrosión de elementos de acero de una estructura que comprende un material no ferroso reforzado con dichos elementos de acero, comprendiendo el método medir propiedades de resonancia ferromagnética de la estructura aplicando un campo magnético a la estructura utilizando un imán situado adyacente a la estructura, dirigir radiación de microondas hacia la estructura, y detectar la proporción de radiación de microondas que se transmite o refleja por los elementos de acero, realizándose la medición con la estructura in situ.
Description
Medición de resonancia ferromagnética.
La presente invención se refiere a una medición
de resonancia ferromagnética.
Algunos elementos, en particular hierro, cobalto
y níquel, muestran el efecto de la magnetización espontánea, que se
denomina ferromagnetismo. En un material ferromagnético, los átomos
actúan eficazmente como imanes rectos atómicos que interaccionan de
manera cooperativa de forma que grandes grupos de átomos dentro de
una estructura presentan una orientación común de su magnetismo. En
una descripción mecanocuántica, la alineación de los momentos de
los imanes se atribuye a la interacción de intercambio, que favorece
de manera enérgica el orden magnético.
Las mediciones de resonancia ferromagnética son
conceptualmente similares a las mediciones de resonancia magnética
nuclear, que forman la base de los dispositivos de exploración de
formación de imágenes de resonancia magnética (MRI, "magnetic
resonance imaging"). Una muestra ferromagnética se sitúa en un
campo magnético intenso. El efecto del campo magnético intenso es
alinear los momentos magnéticos atómicos en una única orientación, y
alterar los niveles de energía de los estados excitados de los
átomos. Se dirige a la muestra radiación de microondas a una
determinada frecuencia. La intensidad del campo magnético aumenta
gradualmente, alterando de ese modo el grado de alineación de los
átomos y modificando los niveles de energía de los estados excitados
de los átomos. Cuando un nivel de energía de un estado excitado es
igual a la energía de los fotones de microondas incidentes, la
radiación de microondas se absorberá de manera resonante por el
material ferromagnético.
La cantidad de radiación de microondas absorbida
por la muestra se monitoriza utilizando un detector de microondas.
Los valores de la intensidad del campo magnético que originan la
absorción de la radiación de microondas son indicativos de la
estructura de la muestra que se está sometiendo a prueba.
En mediciones de resonancia ferromagnética
conocidas, la muestra de un material que va a someterse a prueba se
sitúa dentro de una cavidad resonante, seleccionándose la resonancia
de la cavidad por la frecuencia de la radiación de microondas que
va a dirigirse a la muestra. La cavidad resonante mejora la relación
señal-ruido de la medición de resonancia
ferromagnética.
Recientemente, se ha desarrollado una medición
de resonancia ferromagnética modificada en la que se aplica un
campo magnético de un único valor a una muestra, y la radiación de
microondas dirigida a la muestra se barre en un intervalo de
frecuencias (M.E. Unwin et al., A novel broadband
ferromagnetic resonance spectrometer, Journal of Magnetism and
Magnetic Materials, 205 (1999) 199-208). La muestra
se sitúa en una guía de ondas de tal manera que se aísle la
radiación de microondas de modo que se desplace a través de la
muestra en una única dirección. Esta disposición se basa en un
aislador resonante, un dispositivo de circuito de microondas que
permite la propagación de las microondas en una única dirección.
Una desventaja de los métodos de medición de
resonancia ferromagnética conocidos es que requieren que se sitúe
una muestra en una cavidad resonante o en una guía de ondas. Por
tanto, no puede llevarse a cabo una medición de resonancia
ferromagnética de una muestra grande, a menos que se extraiga parte
de la muestra y se sitúe dentro de una cavidad resonante o guía de
ondas.
Es un objeto de la presente invención
proporcionar un método de medición de resonancia ferromagnética que
supere o atenúe la desventaja anterior.
Los inventores se han dado cuenta de que la
señal de resonancia ferromagnética del acero no corroído es muy
diferente a la del óxido, y que por consiguiente la integridad de
una estructura que comprende material no ferroso reforzado con
elementos de acero puede detectarse utilizando una medición de
resonancia ferromagnética.
Según la invención, se proporciona un método
para la determinación no destructiva del grado de corrosión de
elementos de acero de una estructura que comprende un material no
ferroso reforzado con dichos elementos de acero, comprendiendo el
método aplicar un campo magnético a la estructura utilizando un imán
situado adyacente a la estructura, medir propiedades de resonancia
ferromagnética de la estructura dirigiendo radiación de microondas
hacia la estructura, y detectar la proporción de radiación de
microondas que se transmite o refleja por los elementos de acero,
realizándose las mediciones con la estructura in situ.
La invención proporciona un método no
destructivo rápido y directo de determinación del grado de corrosión
de los elementos de acero situados dentro de un material no
ferroso.
El término material no ferroso no pretende
excluir un material que contiene una pequeña cantidad de sustancias
ferrosas. En cambio, el término material no ferroso pretende
significar que la cantidad de sustancias ferrosas dentro del
material es suficientemente pequeña para no afectar
significativamente la medición según la invención.
Idóneamente, el campo magnético se mantiene
sustancialmente constante, se dirige radiación de microondas en un
intervalo de frecuencias a la estructura, y se determina una o más
propiedades del espectro de absorción de microondas en los
elementos de acero como una función de la frecuencia.
Idóneamente, se determina la forma del espectro
de absorción de microondas. Alternativamente, pueden determinarse
las frecuencias a las que aparecen los máximos de absorción de
microondas.
Idóneamente, la radiación de microondas se barre
en el intervalo de frecuencias.
Idóneamente, la radiación de microondas se
proporciona como un impulso que incorpora el intervalo de
frecuencias.
Preferiblemente, se utiliza una antena para
dirigir el impulso de microondas a la estructura, y la misma antena
se utiliza posteriormente para detectar la proporción del impulso de
microondas que se transmite o refleja por los elementos de
acero.
Idóneamente, se utiliza un analizador de
espectros para determinar el espectro de absorción de microondas en
los elementos de acero como una función de la frecuencia.
Alternativamente, se utiliza un analizador de
espectros para determinar las frecuencias las que aparecen los
máximos de absorción de microondas.
Idóneamente, la frecuencia de la radiación
microondas se mantiene sustancialmente constante y la intensidad
del campo magnético aplicado a la estructura se varía utilizando un
electroimán, determinándose la forma del espectro de absorción de
microondas en los elementos de acero como una función de la
intensidad del campo.
Idóneamente, la frecuencia de la radiación
microondas se mantiene sustancialmente constante y la intensidad
del campo magnético aplicado a la estructura se varía utilizando un
electroimán, determinándose la intensidad del campo magnético a la
que aparecen los máximos de absorción de microondas en los elementos
de acero.
Preferiblemente, el método se calibra llevando a
cabo una serie de mediciones de resonancia ferromagnética de
estructuras que presentan cantidades conocidas de corrosión,
determinándose una cantidad desconocida de corrosión de una
estructura llevando a cabo una medición de resonancia ferromagnética
de esa estructura y comparando los resultados de la medición con
las mediciones de calibración.
Preferiblemente, la radiación de microondas se
fija a, o tiene una frecuencia central, a o aproximadamente de 1
GHz.
Preferiblemente, el campo magnético es
suficientemente intenso para saturar el estado magnético de los
elementos de acero.
Preferiblemente, la intensidad del campo
magnético se fija a o es aproximadamente de 0,1 Tesla.
La estructura comprende preferiblemente hormigón
armado.
Preferiblemente, se toma una medición de fondo
sin campo magnético aplicado a la estructura, y los resultados de
la medición de fondo se comparan con una medición posterior de
resonancia ferromagnética de la estructura, con el fin de mejorar
la relación señal-ruido de la medición.
Se describirá ahora una realización específica
de la invención a modo de ejemplo solamente, con referencia a la
figura adjunta que es un diagrama esquemático que representa una
medición de resonancia ferromagnética según la invención.
En referencia a la figura 1, un muro de hormigón
armado comprende barras 1 de acero situadas dentro del hormigón 2.
El hormigón 2 es un material no ferroso.
Un imán 3 permanente que comprende un polo 4
norte y un polo 5 sur se sitúa contra el muro de hormigón armado.
Un campo magnético producido por el imán 3 pasa a través del
hormigón 2, hacia las barras 1 de acero, a lo largo de las barras 1
de acero y vuelve a través del hormigón 2. En la figura 1, se
muestra una línea 6 de campo magnético única indicativa del campo
magnético generado por el imán 3.
Una fuente 7 de microondas genera un haz blanco
de microondas (es decir, microondas en un intervalo de longitudes
de onda) que se dirige utilizando una antena 8 hacia el hormigón 2.
Las microondas se reflejan por la barra 1 de acero, vuelven a pasar
a través del hormigón 2 y se detectan por una segunda antena 9. Las
microondas detectadas se analizan utilizando un analizador 10 de
espectros.
El analizador 10 de espectros se utiliza para
determinar el espectro de frecuencia de la absorción microondas. La
forma de este espectro es característica del acero y/o del óxido
presente en el muro de hormigón armado, y la amplitud de la
absorción está directamente relacionada con las cantidades de acero
y óxido presentes.
El analizador 10 de espectros se calibra
sometiendo a prueba hormigón armado que presenta diferentes niveles
de corrosión conocidos, y almacenando los espectros de microondas
resultantes. Tras la calibración, se determina la cantidad de
corrosión en un muro de hormigón armado comparando el espectro de
absorción medido con los espectros de calibración.
La fuente 7 de microondas puede generar el haz
blanco de microondas como un impulso. Cuando se hace esto, sólo se
requiere una única antena 8, estando la antena 8 conectada a la
fuente 7 de microondas durante la generación de impulsos, y
conectada al analizador 10 de espectros durante la detección
impulsos. Una ventaja adicional del impulso de microondas es que
proporciona automáticamente una banda ancha de microondas.
La fuente 7 de microondas puede proporcionar un
haz continuo de microondas barrido en un intervalo de frecuencias.
Cuando se hace esto, no se requiere un analizador de espectros,
puesto que la frecuencia de microondas dirigida al muro de hormigón
armado se conoce en cualquier momento dado.
En una disposición alternativa adicional, pueden
utilizarse microondas que presentan una frecuencia fija y variarse
la intensidad del campo magnético aplicado al hormigón armado. Con
el fin de variar el campo magnético, el imán 3 debe ser un
electroimán en lugar de un imán permanente.
El campo magnético preferiblemente satura el
estado magnético del acero. Un valor preferido de la intensidad del
campo magnético es aproximadamente de 0,1 Tesla en resonancia.
Una frecuencia central preferida para las
microondas es aproximadamente de 1 GHz.
Puede medirse el espectro de absorción de
microondas que se transmiten por el hormigón armado, en lugar de
reflejarse. Una medición de este tipo es matemáticamente equivalente
a una medición de
reflexión.
reflexión.
Con el fin de reducir el efecto del ruido de
fondo, puede determinarse un espectro de microondas sin el imán 3
en su sitio. Esta medición de fondo puede compararse con una
medición realizada con el imán 3 en su sitio.
La fuente 7 de microondas puede disponerse para
dirigir microondas al hormigón 2 sin requerir una antena.
Claims (17)
1. Método para la determinación no destructiva
del grado de corrosión de elementos de acero de una estructura que
comprende un material no ferroso reforzado con dichos elementos de
acero, comprendiendo el método medir propiedades de resonancia
ferromagnética de la estructura aplicando un campo magnético a la
estructura utilizando un imán situado adyacente a la estructura,
dirigir radiación de microondas hacia la estructura, y detectar la
proporción de radiación de microondas que se transmite o refleja por
los elementos de acero, realizándose la medición con la estructura
in situ.
2. Método según la reivindicación 1, en el que
el campo magnético se mantiene sustancialmente constante, se dirige
radiación de microondas en un intervalo de frecuencias a la
estructura, y se determinan una o más propiedades del espectro de
absorción de microondas en los elementos de acero como una función
de la frecuencia.
3. Método según la reivindicación 2, en el que
la forma del espectro de absorción de microondas se determina
utilizando un analizador de espectros.
4. Método según la reivindicación 2, en el que
se determinan las frecuencias a las que aparecen los máximos de
absorción de microondas.
5. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 4, en el que la radiación de microondas se
barre en el intervalo de frecuencias.
6. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 4, en el que la radiación de microondas se
proporciona como un impulso que incorpora el intervalo de
frecuencias.
7. Método según la reivindicación 6, en el que
se utiliza una antena para dirigir el impulso de microondas a la
estructura, y la misma antena se utiliza posteriormente para
detectar la proporción del impulso de microondas que se transmite o
refleja por los elementos de acero.
8. Método según la reivindicación 6 o la
reivindicación 7, en el que se utiliza un analizador de espectros
para determinar el espectro de absorción de microondas en los
elementos de acero como una función de la frecuencia.
9. Método según la reivindicación 6 o la
reivindicación 7, en el que se utiliza un analizador de espectros
para determinar las frecuencias a las que aparecen los máximos de
absorción de microondas.
10. Método según la reivindicación 1, en el que
la frecuencia de la radiación de microondas se mantiene
sustancialmente constante y la intensidad del campo magnético
aplicado a la estructura se varía utilizando un electroimán,
determinándose la forma del espectro de absorción de microondas en
los elementos de acero como una función de la intensidad del
campo.
11. Método según la reivindicación 1, en el que
la frecuencia de la radiación de microondas se mantiene
sustancialmente constante y la intensidad del campo magnético
aplicado a la estructura se varía utilizando un electroimán,
determinándose la intensidad del campo magnético a la que aparecen
los máximos de absorción de microondas en los elementos de
acero.
acero.
12. Método según cualquier reivindicación
precedente, en el que el método se calibra llevando a cabo una serie
de mediciones de resonancia ferromagnética de estructuras que
presentan cantidades conocidas de corrosión, determinándose una
cantidad desconocida de corrosión llevando a cabo una medición de
resonancia ferromagnética de esa estructura y comparando los
resultados de la medición con las mediciones de calibración.
13. Método según cualquier reivindicación
precedente, en el que la radiación de microondas se fija a, o tiene
una frecuencia central, a o aproximadamente de 1 GHz.
14. Método según cualquier reivindicación
precedente, en el que el campo magnético es suficientemente intenso
para saturar el estado magnético de los elementos de acero.
15. Método según cualquier reivindicación
precedente, en el que la intensidad del campo magnético se fija a o
es aproximadamente de 0,1 Tesla.
16. Método según cualquier reivindicación
precedente, en el que la estructura comprende hormigón armado.
17. Método según cualquier reivindicación
precedente, en el que se toma una medición de fondo sin campo
magnético aplicado a la estructura, y los resultados de la medición
de fondo se comparan con una medición posterior de resonancia
ferromagnética de la estructura, con el fin de mejorar la relación
señal-ruido de la medición.
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