ES2802498T3 - Sensor embebido para la medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio, método de fabricación del sensor, y sistema y método de medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio - Google Patents
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Abstract
Sensor para la medida continua de resistencias mecánicas en una estructura de material cementicio. Otro objeto de la invención se refiere a dos sistemas de medida que emplean dicho sensor: un sistema de medida continua basado en un efecto de inducción electromagnética, y otro sistema de medida continua basado en un efecto de magnetoinductancia, así como el método de medida de cada sistema y un método de fabricación de dicho sensor. Elsensor se embebe directamente, como un simple agregado más, en una estructura de material cementicio, preferentemente hormigón, de modo que permite medir el estado de tensión mecánica/deformación interno de dicha estructura de material cementicio de forma continua y sin afectar a su estructura ni su estado de tensión. El sensor comprende un bloque de material cementicio en el que está embebido un microhilo magnético donde dicho microhilo magnético comprende un núcleo ferromagnético y un revestimiento aislante de vidrio.
Description
DESCRIPCIÓN
Sensor embebido para la medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio, método de fabricación del sensor, y sistema y método de medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de la presente invención se refiere a un sensor para la medida continua de resistencias mecánicas en una estructura de material cementicio. Otro objeto de la presente invención se refiere a un sistema de medida que emplean dicho sensor, que consiste en un sistema de medida continua basado en un efecto de inducción electromagnética, así como el método de medida de cada sistema y un método de fabricación de dicho sensor. El sensor se embebe directamente, como un simple agregado más, en una estructura de material cementicio, preferentemente hormigón, de modo que permite medir el estado de tensión mecánica/deformación interno de la estructura de forma continua y sin afectar a su estructura ni su estado de tensión.
El sensor comprende un bloque de material cementicio en el que está embebido un microhilo magnético, donde dicho microhilo magnético comprende un núcleo ferromagnético y un revestimiento aislante de vidrio.
El sensor una vez embebido en la estructura de material cementicio permite determinar las fuerzas y deformaciones a los que se ve sometida dicha estructura de material cementicio a lo largo de su vida útil.
Encuentra especial aplicación en el ámbito de la industria de la construcción.
PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER Y ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El método más utilizado para la medida de resistencia del hormigón, son los ensayos de laboratorio que miden las resistencias mecánicas sobre probetas. Posee la desventaja de ser un ensayo destructivo. Entre los métodos más utilizados para medir esfuerzos mecánicos o deformación están las galgas extensiométricas. Dichas galgas extensiométricas son capaces de medir deformación longitudinal media, y se utilizan fundamentalmente adheridas a la superficie exterior, aunque empiezan a aparecer algunos diseños que permiten embeberlas dentro de estructuras de hormigón. Pero por su particular diseño poseen un precio muy elevado en comparación con un sensor simplemente fabricado del mismo material a embeber.
Los sensores de fibra óptica y los sensores piezoeléctricos tienen un buen rendimiento y permiten medir los esfuerzos internos y la deformación. Estos sensores tienen la desventaja de su alto coste, tienen una durabilidad limitada, y necesitan de un equipo de medida caro, como electrónica y láseres para su funcionamiento. Además tienen un rango de temperatura útil muy estrecho.
El desarrollo de microsensores permite obtener materiales magnéticos funcionales a bajo costo con propiedades magnéticas mejoradas para adaptarse a los requerimientos de las aplicaciones en una amplia variedad de sectores industriales.
Sin embargo, los microhilos magnéticos amorfos han atraído mucha atención debido a sus reducidas dimensiones, posibilidad de adaptar sus propiedades magnéticas para detectar diferentes magnitudes, y a sus procesos de medición y fabricación sencillos.
Una de las aplicaciones tecnológicas de estos microhilos magnéticos está basado en el efecto de Biestabilidad magnética y se pueden utilizar en numerosas aplicaciones haciendo uso fundamentalmente de los picos de voltaje muy agudos inducidos en pequeños bobinados como consecuencia del proceso de la propagación de la inversión de imanación, como posteriormente se explicará en detalle. Estos pulsos magnéticos han sido utilizados en muy diversas aplicaciones, tales como generadores de pulsos, sensores de posición y desplazamiento, sensores de campo magnético, sensores magnetoelásticos, contadores de revoluciones y goniómetros, etc.
Por lo tanto, la presente invención proporciona un sensor que presenta las siguientes ventajas:
- permite medir la resistencia mecánica de forma continua de cualquier estructura fabricada en material cementicio,
- permite medir sin contacto los esfuerzos mecánicos internos de la estructura de material cementicio, - se embebe directamente en la estructura de material cementicio a estudiar sin afectar a su estructura ni al estado de tensión,
- se aplica unos tratamiento térmicos que por una parte permiten mejorar la estabilidad del sensor con el tiempo, y por otra adaptar la sensibilidad del sensor a los esfuerzos mecánicos aplicados en el rango de tensiones mecánicas aplicadas en el que va a trabajar el sensor.
El documento US2012230365A1 divulga un sensor de temperatura que comprende un microhilo y un tubo protector, destinado a ser embebido en una estructura cementicia para medir la temperatura de la estructura cementicia. El documento WO2007116218A1 se refiere a un método y aparato para medir cantidades físicas usando elementos de sensado ferromagnéticos amorfos, y donde un cambio en el campo de conmutación causa que dichos materiales exhiban el efecto Barkhaussen visto mientras el material esté sujeto a tensión.
La publicación "Magnetic and Mechanical Properties of Magnetic Glass-Coated Microwires with Glass Coating” de V Zhukova (Materials Science Forum, vol. 480-481, pages 293-298), (disponible en www.scientific.net/MSF.480-481.293) divulga microhilos recubiertos de vidrio con dos composiciones metálicas de núcleo y tres composiciones de vidrio.
El documento US2007144618A1 divulga una aleación magnética blanda para fundición de microhilo.
El documento US7771545B2 se refiere a una aleación de metal amorfa que tiene una alta resistencia de tensión y resistividad eléctrica.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sensor embebido para la medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio (preferentemente la estructura de material cementicio es hormigón), tal que comprende: al menos un microhilo magnético seleccionado entre amorfo y nanocristalino embebido en un bloque de material cementicio, donde el microhilo magnético posee una composición adecuada para no verse afectado por el entorno alcalino del bloque de material cementicio y comprende un núcleo metálico. Preferentemente el núcleo metálico es un núcleo ferromagnético.
Según una realización, el microhilo magnético comprende un núcleo ferromagnético y un revestimiento aislante de vidrio resistente al entorno alcalino del bloque de material cementicio, que dependiendo del material cementicio del que esté formado dicho bloque está seleccionado entre:
- un revestimiento de vidrio de borosilicato para una resistencia alta a los álcalis con al menos entre un 20-25% de Zr, y
- un revestimiento de vidrio de borosilicato para una resistencia moderada a los álcalis con un contenido bajo en álcalis como por ejemplo del tipo “Pyrex” 74.5% SiO2, 15% B2O3, 3% Na2O, 2% AbO3 , 1.5% K2O, o “Nonex”, 73% SO2, 16.5% B2O3, 6% PbO, 3% Na2O, 1.5% K2O.
Según otra realización, el microhilo magnético comprende un núcleo ferromagnético sin el revestimiento aislante de vidrio. En este caso, el núcleo ferromagnético comprende un material seleccionado entre Cromo, Zirconio y combinación de ellos para ser resistente a agentes corrosivos y oxidantes del bloque de material cementicio donde va a ser embebido.
La presente invención también se refiere a un sistema de medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio basado en un efecto de inducción electromagnética, tal que comprende al menos:
- un sensor de los descritos anteriormente que en el caso de que el microhilo magnético comprenda revestimiento aislante de vidrio el núcleo ferromagnético comprende una composición química seleccionada entre CoFeSiB, FeSiB, FeNiSiB, y FeCoSiB con una proporción de Si+B superior al 14% e inferior al 35%, y de Co, Ni y de Fe de más del 40%; donde el microhilo magnético comprende una magnetostricción alta y positiva en un rango desde 3e' 5 hasta 4e' 5 , una biestabilidad magnética y donde el sensor está embebido en la estructura de material cementicio;
- una bobina excitadora;
- una bobina sensora concéntrica e interior a la bobina excitadora que genera un campo inversor en su interior;
- una fuente de alimentación alterna conectada a la bobina excitadora; y,
- un sistema de lectura y representación del campo inversor generado en la bobina sensora.
Este sistema de medida continua basado en el efecto de inducción electromagnética a su vez se divide en otros dos sistemas de medida dependiendo de la profundidad a la que se encuentre el sensor, por un lado un sistema de
medida sin cables de conexión donde la bobina excitadora y la bobina sensora están colocadas externamente a la estructura de material cementicio y por otro lado un sistema de medida con cables de conexión donde la bobina excitadora y la bobina sensora están previamente arrolladas alrededor del sensor y embebidas junto con el sensor en la estructura de material cementicio.
El método de medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio basado en el efecto de inducción electromagnética comprende:
- generar un voltaje o corriente alterna mediante la fuente de alimentación alterna que genera un campo magnético en la bobina excitadora donde dicho campo magnético genera la propagación de una pared magnética a lo largo del microhilo magnético del sensor donde dicha pared magnética genera un pulso estrecho de voltaje en un campo inversor de la bobina sensora,
- medir el campo magnético inversor generado en la bobina sensora mediante un sistema de lectura y representación del campo magnético inversor,
- establecer la resistencia mecánica de la estructura de material cementicio en base a la medida del campo magnético inversor.
Finalmente, la presente invención también se refiere a un método de fabricación del sensor descrito que comprende:
• fabricar el microhilo magnético amorfo mediante técnicas de enfriamiento ultrarrápido y estiramiento convencionales,
• proteger el microhilo magnético mediante una composición adecuada para que sea resistente al entorno alcalino del bloque de material cementicio,
• cortar el microhilo magnético en tramos y someterlo a un tratamiento térmico seleccionado entre con corriente eléctrica y con horno convencional para estabilizar la estructura interna de dicho microhilo magnético, y mejorar la sensibilidad del microhilo magnético a esfuerzos mecánicos aplicados,
• aplicar un tratamiento químico mediante ácidos a los extremos cortados del microhilo magnético para obtener unos extremos pulidos y uniformes,
• embeber al menos el microhilo magnético en un bloque de material cementicio; y
• curar el bloque de material cementicio controlando la evolución de sus propiedades mecánicas mediante técnicas de evaluación no destructiva.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para completar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a esta memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, un conjunto de dibujos en dónde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una micrografía de un microhilo magnético mediante microscopía electrónica donde puede apreciarse el núcleo ferromagnético y el revestimiento aislante de vidrio.
Figura 2.- Muestra la estructura de dominios magnéticos de un microhilo con magnetostricción positiva. Posee un solo monodominio magnético en la dirección del eje del microhilo magnético (axial) y dominios magnéticos radiales cerca de la superficie.
Figura 2a. Muestra los diferentes estados magnéticos del ciclo de histéresis biestable de un microhilo magnético con magnetostricción positiva. La figura de la izquierda muestra las flechas que indican la dirección de la imanación dentro de cada dominio magnético durante los diferentes estados del proceso de imanación correspondientes a las etapas del ciclo de histéresis.H* representa el campo magnético de inversión mínimo, necesario para poder invertir la imanación.
Figura 3.- Muestra la señal inducida en el sensor (V2) junto con el voltaje de excitación (V1) en función del tiempo en unidades arbitrarias (u.a.). La señal inducida se debe a la propagación de una pared de dominios magnéticos a lo largo del microhilo magnético. El campo magnético de inversión H* se puede estimar fácilmente de la posición de un pico agudo de voltaje (máximo).
Figura 4a.- Muestra una distribución de valores de campo H* de una composición de Fe72.5Si12.5B15 antes de someter el microhilo magnético al tratamiento térmico y químico. N es el número de eventos y H (Oe) los valores de campo magnético de inversión. El valor medio de las fluctuaciones es H* =0.83 A/m, el ancho de la curva es 0.25 Oe.
Figura 4b.- Muestra la figura anterior después de someter el microhilo magnético al tratamiento térmico y químico. Se observa como el pulso inducido de voltaje se encuentra ahora más definido y estable, ya que se ha disminuido lo máximo posible el error en la medida de un valor determinado del campo H*.
Figura 5a.- Muestra una imagen de las imperfecciones superficiales de un extremo de un microhilo magnético (en este caso el microhilo magnético no lleva el recubrimiento aislante de vidrio) debidas a un corte impreciso, tomada dicha imagen mediante un microscopio óptico.
Figura 5b.- Muestra una imagen de un extremo de un microhilo magnético (en este caso el microhilo magnético si lleva el recubrimiento aislante de vidrio) tomada mediante microscopía electrónica (SEM).
Figura 6a.- Muestra una forma de realización de un sistema de medida basado en el efecto de inducción electromagnética sin cables de conexión. En este caso la bobina excitadora y la bobina sensora se encuentran fuera de la estructura de material cementicio y a una cierta distancia del sensor embebido en la estructura de material cementicio.
Figura 6b.- Muestra una imagen del microhilo magnetico embebido en el bloque de material cementicio según el sistema de medida basado en el efecto de inducción electromagnética sin cables de conexión.
Figura 6c.- Muestra una imagen, tomada con microscopio óptico, del sensor (bloque de material cementicio junto con el microhilo magnético) embebido en una estructura de material cementicio según el sistema de medida basado en el efecto de inducción electromagnética sin cables de conexión.
Figura 6d.- Muestra una imagen, obtenida con microscopio electrónico de barrido (SEM) del sensor de la figura 6c. Figura 7a.- Muestra una forma de realización de un sistema de medida basado en el efecto de inducción electromagnética con cables de conexión.
Figura 7b.- Muestra al sensor (bloque de material cementicio junto con el microhilo magnético) embebido en una estructura de material cementicio según el sistema de medida basado en el efecto de inducción electromagnética con cables de conexión. Los cables de conexión que se ven pertenecen a la bobina excitadora y sensora.
Figura 8a.- Muestra un pulso electromotriz inducido en la bobina sensora conforme se va sometiendo al bloque de material cementicio a fuerza de compresión. Se observa la dependencia de la posición del máximo para cinco casos concretos, donde las gráficas representadas muestran, de arriba a abajo, una carga de un único ciclo (línea de trazos más cortos y juntos), dos ciclos (línea de trazo y punto), cuatro ciclos (línea de trazos cortos y separados), seis ciclos (línea de trazos más largos) y ocho ciclos (línea continua).
Figura 8b.- Muestra un pulso electromotriz inducido en la bobina sensora conforme se va sometiendo al bloque de material cementicio a fuerza de compresión. Se observa la dependencia de su amplitud en función de la fuerza de compresión para cinco medidas concretas, donde análogamente a la figura 8b, las gráficas representadas muestran, de arriba a abajo, una carga de un único ciclo (línea de trazos más cortos y juntos), dos ciclos (línea de trazo y punto), cuatro ciclos (línea de trazos cortos y separados), seis ciclos (línea de trazos más largos) y ocho ciclos (línea continua).
Figura 8c.- Muestra un dibujo esquemático del cambio de posición y amplitud del pulso inducido frente a la fuerza de compresión, para cuatro casos.
Figuras 8d y 8e.- Muestran ensayos de compresión como los de las figuras 8a y 8b respectivamente, llevados hasta el punto de rotura de la probeta ensayada.
Figura 9.- Muestra la estructura de dominios magnéticos de un microhilo magnético con magnetostricción negativa. Posee fundamentamente dominios circulares.
Figura 9a.- Muestra esquemáticamente el ciclo de histéresis característico de un microhilo magnetico con magnetostricción negativa, tumbado y sin histéresis.
A continuación se proporciona una lista de los distintos elementos representados en las figuras que integran la invención:
1. Sensor.
2. Microhilo magnético.
3. Núcleo ferromagnético.
4. Revestimiento aislante de vidrio.
5. Bloque de material cementicio.
6. Estructura de material cementicio.
7. Bobina excitadora.
8. Bobina sensora.
9. Bobina de compensación.
10. Campo magnético de inversión.
11. Cables de conexión.
12. Generador de funciones.
13. Osciloscopio digital.
14. Resistencia.
15. Histograma de frecuencias.
16. Campo de excitación.
17. Señal obtenida en el campo magnético de inversión.
18. Curvas de magnetoinductancia.
19. Pulso electromotriz inducido en la bobina sensora.
20. Estructura de dominios magnéticos de un microhilo magnético con
magnetostricción positiva.
21. Ciclo de histéresis biestable de un microhilo magnético con
magnetostricción positiva.
22. Estructura de dominios magnéticos de un microhilo magnético con
magnetostricción negativa.
23. Ciclo de histéresis de un microhilo magnético con magnetostricción
negativa.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
El sensor (1) objeto de la presente invención permite medir la resistencia mecánica de forma continua de cualquier estructura fabricada en material cementicio.
Dicho sensor (1) se embebe directamente, como un agregado más, en la estructura de material cementicio (6) a estudiar (que preferentemente será de hormigón), sin afectar a su estructura ni al estado de tensión, de forma que se puede obtener una monitorización continua de su estado de tensión mecánica o deformación interna.
Dicho sensor (1) de fuerzas de compresión comprende un bloque de material cementicio (5), en el que está embebido el microhilo magnético (2), que no necesariamente debe ser del mismo material cementicio que conforma la estructura de material cementicio (6) a estudiar, pudiendo ser de pasta de cemento, mortero u hormigón.
Dicho sensor (1) es capaz de monitorizar de forma continua el nivel de fuerza de compresión a la que va a estar sometida la estructura de material cementicio (6) a estudiar.
El microhilo magnético (2) está seleccionado entre amorfo y nanocristalino y posee una composición adecuada para no verse afectado por el entorno alcalino del bloque de material cementicio (5). Según una realización preferente, el microhilo magnético (2) comprende un núcleo metálico y un revestimiento aislante de vidrio (4). Preferentemente el núcleo metálico es un núcleo ferromagnético (3) por lo que de ahora en adelante se hablará de núcleo ferromagnético (3).
El revestimiento aislante de vidrio (4) se escoge para ser resistente al entorno alcalino del bloque de material cementicio (5), que dependiendo del material cementicio del que esté formado dicho bloque (5) está seleccionado entre:
- un revestimiento de vidrio de borosilicato para una resistencia alta a los álcalis con al menos entre un 20-25% de Zr, y
- un revestimiento de vidrio de borosilicato para una resistencia moderada a los álcalis con un contenido bajo en álcalis como por ejemplo del tipo “Pyrex” 74.5% SiO2, 15% B2O3, 3% Na2O, 2% AbO3 , 1.5% K2O, o “Nonex”, 73% SO2, 16.5% B2O3, 6% PbO, 3% Na2O, 1.5% K2O.
También es posible fabricar microhilos magnéticos (2) sin el revestimiento aislante de vidrio (4). En este caso, el núcleo ferromagnético (3) comprende un material seleccionado entre Cromo, Zirconio y combinación de ellos para ser resistente a agentes corrosivos y oxidantes del bloque de material cementicio (5) donde va a ser embebido.
Por agentes corrosivos se entiende a los debidos a la propia hidratación del hormigón que contiene agua y puede oxidar el microhilo magnético (2), o a los que puedan penetrar desde fuera como cloruros o sulfatos.
El bloque de material cementicio (5) donde se embebe el microhilo magnético (2) posee preferentemente forma cilíndrica, ya que facilita una calibración del sensor (1). No obstante puede tener cualquier otra forma geométrica.
Una vez fabricado el bloque de material cementicio (5) y embebido el microhilo magnético (2), el sensor (1) es curado en condiciones de inmersión en agua con hidróxido cálcico durante 28 días. Durante el proceso de curado del bloque de material cementicio (5) donde esta embebido el microhilo magnético (2) se ha controlado la evolución de sus propiedades mecánicas mediante la medida de la velocidad ultrasónica.
Debido al diámetro microscópico del microhilo magnético (2), de 1 a 100 micras, el microhilo magnético (2) no influye en las propiedades elásticas y mecánicas del bloque de material cementicio (5) donde es embebido.
Es importante mencionar que el rango de fuerzas de trabajo del sensor (1) para una monitorización continua de una curva de compresión-deformación se determina controlando las siguientes variables del microhilo magnético (2):
i) Se puede modificar su sensibilidad a un determinado rango de fuerzas mecánicas, para una composición química dada, modificando por una parte su estructura y magnetostricción mediante unos tratamientos térmicos específicos, que permiten modificar su respuesta magneto-elástica. Se pueden resumir en los siguientes: Tratamiento térmico con corriente continua o en horno térmico convencional simultáneamente con campo magnético o tensión mecánica aplicada. por otra parte, cambiando el diámetro del núcleo ferromagnético (3) y el espesor del revestimiento aislante de vidrio (4) del microhilo magnético (2).
ii) Se puede modificar su resistencia mecánica a compresión del bloque de material cementicio (5), variando las condiciones de fabricación del bloque de material cementicio (5), mediante la relación agua/material cementicio, tipo de material cementicio, y de agregados, aditivos, así como las condiciones de curado de dicho bloque de material cementicio (5).
iii) Se puede modificar las dimensiones del bloque de material cementicio (5) ya que al modificar la sección del bloque de material cementicio (5), se modifica el esfuerzo mecánico que afecta al microhilo magnético (2).
La fabricación de estos microhilos magnéticos (2) se lleva a cabo mediante la técnica de enfriamiento ultrarrápido de Taylor-Ulitovski ya conocida, donde de un gramo de aleación se pueden obtener varios kilómetros de microhilo magnético (2) con estructura amorfa. La estructura amorfa se alcanza gracias al enorme ritmo de enfriamiento a partir de la aleación fundida (1250°C) que es del orden de 105-106 °C/s. La forma cilíndrica del microhilo magnético (2) solidificado resultante es consecuencia de la simetría del proceso de enfriamiento sobre agua.
Para optimizar la respuesta del sensor (1) se han realizado unos tratamientos térmicos posteriores al corte del microhilo magnético (2), ya que si se trata térmicamente el microhilo magnético (2) y posteriormente se corta, la pared de dominio magnético del microhilo magnético (2) se desestabiliza. Dichos tratamientos térmicos se aplican a todo el microhilo magnético (2) con corriente eléctrica o en horno convencional simultáneamente con campo magnético o tensión mecánica aplicada.
Adicionalmente se han realizado unos tratamientos químicos mediante ácidos como HF, HCl y H2SO4 a los extremos cortados del microhilo magnético (2) después de los tratamientos térmicos, para pasar de un extremo con imperfecciones donde las rugosidades son producto de las huellas de la herramienta empleada para el corte del microhilo magnético (2), a un extremo más pulido y uniforme.
Existen principalmente dos sistemas para la medida continua de resistencias mecánicas en la estructura de material cementicio (6):
- un primer sistema de medida basado en el efecto de inducción electromagnética que a su vez se divide en otros dos sistemas de medida dependiendo de la profundidad a la que se encuentre el sensor (1), por un lado un sistema de medida sin cables de conexión y por otro lado un sistema de medida con cables de conexión (11); y
- un segundo sistema de medida basado en el efecto de magnetoinductancia (MI).
A continuación se explican dichos sistemas:
Sistema de medida basado en el efecto de inducción electromagnética:
El sistema de medida basado en el efecto de inducción electromagnética, comprende una fuente de alimentación que genera un voltaje o corriente alterna en una bobina excitadora (7) que genera un campo magnético que provoca la propagación de una pared de dominio magnético a lo largo del microhilo magnético (2) desde su extremo, induciendo un pulso estrecho de voltaje a su paso por una bobina sensora (8), donde la posición del pico del pulso estrecho de voltaje depende de los esfuerzos mecánicos aplicados sobre el microhilo magnético (2).
En este caso, se puede modificar el comportamiento magneto-elástico de los microhilos magnéticos (2) eligiendo una composición adecuada, con magnetostricción alta para que sea muy sensible a fuerzas mecánicas aplicadas, tanto de tensión como de compresión.
Para este sistema de medida el microhilo magnético (2) tiene unas propiedades específicas:
- Composiciones de CoFeSiB, FeSiB, FeNiSiB, FeCoSiB con una proporción de Si+B superior al 14% e inferior al 35%, y de Co, Ni y de Fe de más del 40%. Se pueden añadir otros elementos como: Mo, Zr, Ge, Cr, Mn, V, Ti, C, Cu, Nb u otros metales o metaloides con contenidos inferiores al 7%,
- composición química para tener magnetostricción alta y positiva, preferentemente en el rango de 3e'5 hasta 4e_5 (30-40 ppm, partes por millón),
- biestabilidad magnética,
- relación geométrica núcleo ferromagnético (3)/revestimiento aislante de vidrio (4) para no ser sensible a los esfuerzos de contracción del material cementicio pero sí ser sensible al rango de fuerzas de trabajo del sensor,
- el microhilo magnético (2), antes de ser embebido en el bloque de material cementicio (5), ha sido sometido a:
o un tratamiento químico aplicado a los extremos del microhilo magnético (2), mediante ácidos como HF, HCl y H2SO4 para pasar de un extremo con imperfecciones donde las rugosidades son producto de las huellas de la herramienta empleada para el corte del microhilo magnético (2), a un extremo más pulido y uniforme,
o un tratamiento térmico para la estabilización de la pared magnética en el rango de temperatura entre los 200 y 400°C durante aproximadamente una hora y el correspondiente tratamiento químico de los extremos. Este tratamiento proporciona las siguientes ventajas:
■ estabiliza la pared magnética del microhilo reduciendo las fluctuaciones del campo inversor, lo que mejora la precisión del sensor.
o un tratamiento térmico con corriente eléctrica o en horno convencional, en el rango de temperatura entre los 200-600 °C con tiempos que pueden ir desde minutos hasta una hora, dependiendo de cada tipo de muestra y tratamiento, simultáneamente con fuerza de tensión o campo magnético. Este tratamiento térmico proporciona las siguientes ventajas:
■ estabiliza la estructura interna del microhilo magnético (2) a lo largo del tiempo para mejorar la estabilidad del sensor (1),
■ relaja los esfuerzos internos generados durante su fabricación, (al mismo tiempo mediante la aplicación de campo magnético o tensión mecánica se introducen nuevos esfuerzos) que permiten mejorar su imanación axial en la dirección del eje del microhilo magnético (2) y por tanto fijar el rango de trabajo del mismo para que tenga una sensibilidad a los esfuerzos mecánicos aplicados en la dirección axial del microhilo magnético (2) para ese rango,
■ para unos valores determinados de corriente y temperatura incluso puede cambiarse su estructura amorfa a nanocristalina cambiando también de esta forma su comportamiento magneto-elástico, es decir mayor o menor dependencia con los campos magnéticos o tensiones mecánicas aplicadas.
La ventaja del proceso de magnetización en microhilos magnéticos (2) de un solo salto de Barkhausen, llamados también microhilos magnéticos (2) biestables, es que se puede utilizar un método de inducción sencillo para un campo magnético de inversión H* (10). Cuando el campo magnético externo excede al campo magnético de inversión H* (10) provocado por una bobina excitadora (7) alimentada por una señal, una pared de dominios magnéticos se propaga desde su extremo a lo largo del microhilo magnético (2) obteniéndose una fuerza electromotriz (f.e.m.) inducida en una bobina sensora (8). Dicha pared de dominios magnéticos propagándose puede
visualizarse en un osciloscopio como un pico agudo de voltaje, tal y como se puede observar en la figura 3. El campo magnético de inversión H* (10) se puede estimar fácilmente de la posición de ese máximo.
El sensor (1) puede ser influenciado por campos magnéticos locales, o por materiales metálicos en su alrededor, como por ejemplo en el hormigón armado, y dado que el objetivo del sensor (1) es ser embebido en cualquier estructura de material cementicio para monitorizar de forma continua los esfuerzos, es necesario eliminar tanto los campos magnéticos parásitos debido al campo magnético terrestre como los debidos a materiales metálicos en su alrededor. Por eso el campo magnético de inversión H* (10) medido se mide en ambas direcciones del campo magnético de excitación aplicado. De forma que se medirá un campo magnético de inversión H*+ (10) cuando aumenta el campo magnético de excitación y H*- cuando disminuye. De forma que finalmente el campo magnético de inversión H* (10), que se empleará para medir las fuerzas aplicadas (independiente del campo local) es proporcional a la diferencia de ambas componentes:
*
* H H + - H
2
Mientras que el campo magnético local o parásito vendrá dado por:
*
H H + *
H
local
2
Adicionalmente, el sensor (1), una vez embebido en una estructura de material cementicio, preferentemente hormigón, puede utilizarse para medir temperatura en casos extremos cuando el sensor (1) se encuentre sometido a variaciones drásticas de temperatura. Finalmente si se quiere evitar una posible dependencia con la temperatura solo es necesario modificar las condiciones de medida del sensor (1).
Se ha demostrado que a bajas frecuencias de la señal de excitación, el sensor (1) tiene una pequeña sensibilidad a la tensión mecánica y se puede utilizar por ejemplo como aviso de cambios bruscos de temperatura que puedan hacer peligrar la integridad de la estructura de material cementicio (6). Si se aumenta la frecuencia del campo magnético se produce un aumento de la sensibilidad del sensor (1) a la tensión mecánica.
La aleación del núcleo ferromagnético (3) del microhilo magnético (2) es escogida cuidadosamente para que posea una elevada constante de magnetostricción para la medida del campo magnético de inversión H* (10). La magnetostricción es la propiedad de los materiales ferromagnéticos que se deforman en presencia de campos magnéticos. Aquí se utiliza el efecto inverso conocido como efecto Villari, que causa variaciones en propiedades magnéticas (en nuestro caso los efectos Campo inversor) dependientes de la fuerza mecánica aplicada sobre ellos.
Para la medida del campo magnético de inversión (10) H*, los microhilos magnéticos (2) poseen una estructura magnética particular, exhiben la característica de biestabilidad magnética. Y se produce una inversión de la imanación que va desde un estado de energía estable hasta otro, por medio de un salto Barkhausen. En la figura 2, se muestra una representación esquemática de la estructura magnética monodominio. En la figura 2a, las flechas indican la dirección de la imanación dentro de cada dominio durante los diferentes estados del proceso de imanación correspondiente a las etapas de un ciclo de histéresis completamente rectangular característico de un microhilo magnético (2) biestable con magnetostricción positiva. El cambio de la imanación cuando se aplica gradualmente un campo magnético H mayor en sentido contrario a como está imanado en el estado a) hasta el campo H* donde ocurre un único solo salto Barkhausen de la pared magnética formada en el extremo del microhilo magnético (2) en el estado c) hasta finalmente obtener el estado d). El campo H* representa el campo magnético de inversión mínimo, necesario para poder invertir la imanación.
En la remanencia (a), cuando se aplica un campo magnético en dirección contraria a como está el núcleo imanado axialmente en (a), las estructuras de dominios de cierre existentes se alargan hacia el centro de la muestra. (b) En el campo de inversión, la pared de uno de los dos dominios de cierre se desengancha de forma irreversible y se desplaza hacia el extremo opuesto de la muestra, dando lugar a un cambio en la imanación (c). Por consiguiente, dicho salto Barkhausen es consecuencia del desenganche y propagación de una única pared de dominios magnéticos a lo largo del microhilo magnético (2). Esta propagación queda definida por un pulso magnético estrecho de una duración determinada (figura 3).
Sin embargo, el valor del campo magnético inversor H* al que se produce el salto en la imanación presenta una pequeña fluctuación al ser medido repetidamente en las mismas condiciones experimentales. Para alcanzar una
buena sensibilidad se requiere una amplitud grande, una duración corta y que esa distribución tienda a ser lo más estrecha posible.
Una de las novedades de este sistema de medida basado en el efecto de inducción electromagnética es que se ha conseguido mejorar la estabilización de la pared de dominio magnético del microhilo magnético (2) logrando así optimizar la respuesta del sensor (1) obteniendo una mayor precisión en sus medidas. De esta forma se ha conseguido pasar de la distribución de medidas de campo magnético de inversión H* (10) de la figura 4a a valores más estables de la figura 4b. De esta forma se consigue un pico más estable que prácticamente no cambia de posición en el tiempo.
En la figura 5a se observa una imagen de las imperfecciones superficiales debido al corte impreciso de un extremo del microhilo magnético (2) sin revestimiento aislante de vidrio (4) tomada mediante un microscopio óptico, mientras que en la figura 5b se puede ver una imagen del extremo de un microhilo magnético (2) con revestimiento aislante de vidrio (4) tomada mediante microscopía electrónica (SEM).
La metodología de adquisición y análisis de datos se realizan según métodos convencionales donde un programa de adquisición de datos calcula el valor máximo de un voltaje inducido (en mv) y almacena el tiempo en el que éste máximo se ha producido. Esta rutina de registro de la posición del máximo se repite tantas veces como valores del campo magnético inversor H* (10) se quiera medir.
Se han realizado pruebas con muestras sin tratar, es decir, muestras a las que no se les ha aplicado los tratamientos anteriormente mencionados (se ha realizado una estadística con doscientos datos de campo magnético inversor (10)) y se han comparado con muestras a las que si se les ha aplicado los tratamientos anteriormente mencionados y se ha observado una clara disminución substancial de las fluctuaciones y un valor del campo magnético inversor prácticamente estable alrededor del valor medio de la curva de aproximación.
Tal y como se ha comentado previamente, dependiendo de la accesibilidad de la zona de la estructura de material cementicio (6) donde se coloque el sensor (1) se tendrá que utilizar dos sistemas de medida diferentes.
• Si la zona es accesible y el sensor (1) embebido se encuentra en proximidad a la superficie de la estructura de material cementicio (6), se utiliza el sistema de medida basado en el efecto de inducción electromagnética sin cables de conexión, tal y como se puede observar en la figura 6a, donde una bobina excitadora (7) y una bobina sensora (8) se colocan externas a la estructura de material cementicio (6) mientras que el sensor (1) es embebido en el interior de dicha estructura de material cementicio (6). El sensor (1) embebido se ha calibrado previamente en el laboratorio mediante experimentos de fuerza vs medida de parámetros magnéticos. Una vez calibrado el sensor (1), se puede añadir como un agregado más en la fabricación de la estructura de material cementicio (6) de la cual se quiere medir el estado de fuerzas. El sensor (1) debe estar orientado en la dirección que se desee medir los esfuerzos.
La bobina excitadora (7) es alimentada por una señal, preferentemente de forma sinusoidal o triangular, con el fin de aplicar un campo magnético externo lineal o gradual que aumente con el tiempo.
• Si la zona no es fácilmente accesible, se utiliza el sistema de medida basado en el efecto de inducción electromagnética con cables de conexión (11), tal y como se puede observar en la figura 7a, donde la bobina excitadora (7) y la bobina sensora (8) están embebidas y arrolladas al bloque de material cementicio (5) que tiene embebido el microhilo magnético (2). Unos cables de conexión (11) salen de las dos bobinas, excitadora (7) y sensora (8), tal y como se muestra en la figura 7b.
Los cables de conexión (11) son cables coaxiales finos y están recubiertos, preferentemente, de politetrafluoroetileno (PTFE) para que no se dañen al estar embebidos en el bloque de material cementicio (5).
El sistema de medida explicado es de fácil implementación electrónica lo que permitiría utilizar sistemas basados en redes inalámbricas de sensores o tecnología RFID para monitorizar las propiedades de la estructura de material cementicio (6) bajo estudio.
La presente invención no debe verse limitada a la forma de realización aquí descrita. Otras configuraciones pueden ser realizadas por los expertos en la materia a la vista de la presente descripción. En consecuencia, el ámbito de la invención queda definido por las siguientes reivindicaciones.
Claims (15)
1. Un sensor (1) embebido para la medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio (6) caracterizado por que comprende:
- un bloque de material cementicio (5), configurado para ser embebido en estructuras de material cementicio (6), y
- al menos un microhilo magnético (2) amorfo embebido en el bloque de material cementicio (5), donde el microhilo magnético (2) es resistente al entorno alcalino del bloque de material cementicio (5) y comprende un núcleo metálico (3).
2. Un sensor (1) embebido para la medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio (6) caracterizado por que comprende:
- un bloque de material cementicio (5), configurado para ser embebido en estructuras de material cementicio (6), y
- al menos un microhilo magnético (2) nanocristalino embebido en el bloque de material cementicio (5), donde el microhilo magnético (2) es resistente al entorno alcalino del bloque de material cementicio (5) y comprende un núcleo metálico (3).
3. El sensor (1) embebido para la medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio (6), según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el núcleo metálico (3) es ferromagnético.
4. El sensor (1) embebido para la medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio (6), según la reivindicación 3, caracterizado por que el núcleo ferromagnético (3) comprende un material seleccionado entre Cromo, Zirconio y combinación de ellos para ser resistente a agentes oxidantes y corrosivos del bloque de material cementicio (5).
5. El sensor (1) embebido para la medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio (6), según la reivindicación 3, caracterizado por que el microhilo magnético (2) comprende addemás un revestimiento aislante de vidrio (4) para ser resistente al entorno del bloque de material cementicio (5).
6. El sensor (1) embebido para la medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio (6), según la reivindicación 5, caracterizado por que el revestimiento aislante de vidrio (4) es un revestimiento de vidrio de borosilicato.
7. El sensor (1) embebido para la medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio (6), según la reivindicación 6, caracterizado por que el revestimiento de vidrio de borosilicato comprende una composición seleccionada entre:
- 74.5% SiO2, 15% B2O3, 3% Na2O, 2% AbOs, 1.5% K2O, y
- 73% SiO2, 16.5% B2O3, 6% PbO, 3% Na2O, 1.5% K2O.
8. El sensor (1) embebido para la medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio (6), según la reivindicación 6, caracterizado por que el revestimiento de vidrio de borosilicato comprende una composición de al menos entre un 20-25% de Zr.
9. El sensor (1) embebido para la medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio (6), según la reivindicación 5, caracterizado por que el núcleo ferromagnético (3) comprende una composición química seleccionada entre CoFeSiB, FeSiB, FeNiSiB, y FeCoSiB con una proporción de Si+B superior al 14% e inferior al 35%, y de Co, Ni y de Fe de más del 40%.
10. El sensor (1) embebido para la medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio (6), según la reivindicación 5, caracterizado por que el núcleo ferromagnético (3) comprende una composición química seleccionada entre CoSiB y CoFeSiB con una proporción de Si+B superior al 15% e inferior al 35%, de Co de más de 40% y de Fe inferior al 6%.
11. Un sistema de medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio (6) basado en un efecto de inducción electromagnética, caracterizado por que comprende:
- el sensor (1) descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, donde el microhilo magnético (2) comprende una magnetostricción alta y positiva en un rango desde 3e_5 hasta 4e_5, y una biestabilidad magnética y donde el sensor (1) está configurado para ser embebido en la estructura de material cementicio (6);
- una bobina excitadora (7);
- una bobina sensora (8) concéntrica e interior a la bobina excitadora ( 7 ) que genera un campo inversor en su interior;
- una fuente de alimentación alterna conectada a la bobina excitadora (7); y,
- un sistema de lectura y representación del campo inversor generado en la bobina sensora (8).
12. Un método de medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio (6) basado en el efecto de inducción electromagnética que hace uso del sistema de medida definido en la reivindicación 11, caracterizado por que comprende:
- generar un voltaje o corriente alterna mediante la fuente de alimentación alterna que genera un campo magnético en la bobina excitadora (7) donde dicho campo magnético genera la propagación de una pared magnética a lo largo del microhilo magnético (2) del sensor (1) donde dicha pared magnética genera un pulso estrecho de voltaje en un campo inversor de la bobina sensora (8),
- medir el campo magnético inversor (10) generado en la bobina sensora (8) mediante un sistema de lectura y representación del campo magnético inversor (10),
- establecer la resistencia mecánica de la estructura de material cementicio (6) en base a la medida del campo magnético inversor (10).
13. - El método de medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio (6) basado en el efecto de inducción electromagnética, según reivindicación 12, caracterizado por que la bobina excitadora (7) y la bobina sensora (8) están colocadas externamente a la estructura de material cementicio (6).
14. - El método de medida continua de resistencias mecánicas en estructuras de material cementicio (6) basado en el efecto de inducción electromagnética según la reivindicación 12, caracterizado por que la bobina excitadora (7) y la bobina sensora (8) están previamente arrolladas alrededor del sensor (1) y embebidas junto con el sensor (1) en la estructura de material cementicio (6).
15. Un método de fabricación del sensor (1) embebido definido en una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 3 a 10, caracterizado por que comprende:
- fabricar el microhilo magnético (2) amorfo mediante técnicas de enfriamiento ultrarrápido y estiramiento convencionales,
- proteger el microhilo magnético (2) mediante una composición adecuada para que sea resistente al entorno alcalino del bloque de material cementicio (5),
- cortar el microhilo magnético (2) en tramos y someterlo a un tratamiento térmico seleccionado entre con corriente eléctrica y con horno convencional para estabilizar la estructura interna de dicho microhilo magnético (2), y mejorar la sensibilidad del microhilo magnético (2) a esfuerzos mecánicos aplicados,
- aplicar un tratamiento químico mediante ácidos a los extremos cortados del microhilo magnético (2) para obtener unos extremos pulidos y uniformes,
- embeber al menos el microhilo magnético (2) en un bloque de material cementicio (5); y
- curar el bloque de material cementicio (5) controlando la evolución de sus propiedades mecánicas mediante técnicas de evaluación no destructiva.
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