ES2903551T3 - Sistema de detección para el monitoreo de la integridad de una estructura - Google Patents

Abstract

Un sistema de detección (10) para la detección de una grieta (44) en una estructura (18), comprendiendo el sistema: al menos un primer canal (12) y un segundo canal (14) dispuestos para sellar una superficie (16) de la estructura para formar las respectivas primera y segunda galería selladas separadas (20, 22); un fluido (F1, F2) contenido dentro de cada una de las galerías selladas (20,22); y un sistema de medición (24) dispuesto para medir un cambio en una característica física independiente de la presión (a) en la primera galería sellada (20); (b) en la segunda galería sellada (22); (c) a través o entre diferentes galerías (20, 22); o (d) una combinación de dos o más de (a), (b) y (c) caracterizado porque el fluido es un líquido eléctricamente conductor o un líquido que contiene nanopartículas fluorescentes y donde el cambio depende de un flujo másico del líquido desde una de, o entre, las galerías selladas a través de una grieta sobre o en la estructura; y que el sistema de detección es estable en dos modos independientemente de las condiciones de carga en la estructura, los dos modos son un modo comprometido y un modo no comprometido.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de detección para el monitoreo de la integridad de una estructura

Campo técnico

La presente divulgación se refiere a un sistema de detección biestable para una estructura tal como, pero no limitándose a, una estructura de avión, un casco de una embarcación marina o un puente. En términos más generales, el sistema de detección biestable divulgado es aplicable para el monitoreo estructural, que incluye la detección de grietas en estructuras.

Antecedentes de la Técnica

El documento US4503710 se refiere a la detección temprana de grietas en elementos estructurales sujetos a tensión. Además, el solicitante ha desarrollado numerosos sistemas, dispositivos y métodos para el monitoreo de la integridad estructural y el monitoreo de la salud estructural que pueden usarse, por ejemplo, para detectar y/o monitorear la propagación de grietas u otras fallas sobre o en un componente o estructura. Los ejemplos de tales sistemas, dispositivos y métodos son el objeto de varias patentes, que incluyen los documentos Us 5770794; US 6539776; US 6591661; US 6715365; US 6720882 y US 8353197.

En general, los sistemas, dispositivos y métodos descritos en las patentes mencionadas anteriormente se basan en el principio de transferencia de masa. El vacío se usa para crear una presión diferencial entre dos canales o galerías y la permeabilidad neumática de una grieta asegurada induce un flujo de gas desde un canal llenado con gas a presión atmosférica hacia el canal de vacío parcialmente evacuado. Cuando este flujo excede un umbral predeterminado, se observa una falla. Esta tecnología a veces se denomina Monitoreo Comparativo de Vacío o "CVM". Si bien CVM se ha usado y comercializado con éxito, puede tener limitaciones en algunas situaciones.

Por ejemplo, cuando se usa en una aeronave, todas las mediciones deben realizarse mientras la aeronave está en tierra. Esto se denomina como Inspección Periódica. Sin embargo, cuando están en tierra, la mayoría de los componentes estructurales que estaban bajo tensión durante el vuelo ahora están en compresión. La oclusión total de las grietas a menudo ocurre debido a la compresión activa de las cargas estáticas. Este efecto también se observa en estructuras con secciones transversales más gruesas que no están bajo cargas de compresión. En estas aplicaciones, la estructura del propio componente ejerce una fuerza suficiente para evitar la detección temprana de grietas u otras fallas estructurales.

Para abordar las deficiencias de la Inspección Periódica, se ha propuesto la Detección en Vuelo. Sin embargo, los requisitos ambientales de temperatura, vibración, presión barométrica y contenido de humedad hacen que este enfoque sea muy difícil. Además, es prácticamente imposible mantener un vacío estable de la magnitud deseada en una atmósfera de vuelo a gran altitud. La detección en vuelo requiere que se ubiquen sistemas electrónicos y una bomba de vacío en un área calentada de la aeronave. Esto, a su vez, requiere que los tubos de medición pasen a través de un mamparo de presión de la aeronave para conectar los sensores a la electrónica y la bomba. Sin embargo, los clientes han indicado que no desean crear agujeros en los mamparos para acomodar la tubería. Esto limita severamente las aplicaciones solo a aquellas aplicaciones estructurales que se contienen dentro del cuerpo presurizado de la aeronave. Además, un modelo de flujo contínuo desarrollado para mitigar las limitaciones de rendimiento de la válvula se vuelve altamente vulnerable a la congelación cuando los gases calientes pasan a través de los tubos fríos. En consecuencia, se concluyó que este enfoque de monitorear una fisura durante el ciclo estresado de una estructura era tan problemático como el enfoque de inspección periódica.

Además, hay una serie de contaminantes externos que afectan la probabilidad de detección temprana de grietas u otras fallas. En estructuras de aluminio normales, una grieta expondrá a la atmósfera una superficie que de otra manera se protegería. Inmediatamente después de la exposición, la corrosión comenzará a convertir las moléculas de la superficie en óxido. Este óxido eventualmente ocluirá una pequeña grieta. Cuando se acopla con ciclos de inspección poco frecuentes, esta grieta podría desaparecer de la detección, lo que evita por tanto la detección temprana. Otros contaminantes tales como la condensación, el fluido de deshielo, el fluido hidráulico y el combustible para aviones tienen impactos variables en el sistema, particularmente en el canal que está bajo vacío. En dependencia de la cantidad ingerida, los impactos pueden variar desde un falso negativo hasta daños en el instrumento e incluso una posible explosión. Un sistema de monitoreo estructural que se contamina significativamente puede requerir un esfuerzo considerable para restaurarlo.

El sistema de detección biestable divulgado en la actualidad surge de una investigación y desarrollo adicionales por parte del Solicitante en el campo de la tecnología anterior.

Las referencias anteriores a los antecedentes de la técnica no constituyen una admisión de que la técnica forme parte del conocimiento general común de un experto en la técnica.

La referencia anterior a los antecedentes de la técnica no pretende limitar la aplicación del sistema de detección biestable divulgado en la presente descripción.

Resumen de la Divulgación

En términos generales, las realizaciones del sistema y método divulgados dependen de la transferencia de masa de un fluido entre al menos dos galerías separadas. En ausencia de una falla, la transferencia de masa solo puede ocurrir a través de una grieta que se propaga entre las galerías. También un efecto del sistema y método es que el fluido que entra y fluye a lo largo de una grieta persiste independientemente de que la estructura en la que se forma la grieta esté o no bajo carga dinámica o carga estática. Por tanto, por ejemplo, en el monitoreo estructural de un componente de una aeronave, una grieta que proporciona una ruta de comunicación de flujo entre dos galerías cuando la aeronave está en vuelo (es decir, bajo carga dinámica) debe detectarse mediante realizaciones del método y sistema divulgados cuando la aeronave está en tierra a pesar de que la grieta puede cerrarse completamente bajo carga estática debido a la presencia del fluido en la grieta. Se dice que este sistema es biestable porque se diseña para ser estable en dos modos. Comprometido y no comprometido.

En un primer aspecto de acuerdo con la invención, se divulga un sistema de detección biestable para una estructura, el sistema de acuerdo con la reivindicación 1.

En una realización, el sistema comprende al menos un dispositivo de detección en cada galería en donde el al menos un dispositivo de detección se conecta o de otra manera está en comunicación con el sistema de medición. La naturaleza del al menos un dispositivo de detección depende de la característica física que se va a medir y esto variará de una aplicación a otra; los ejemplos de los dispositivos de detección incluyen, pero no se limitan a, electrodos; sensores ópticos; y acopladores magnéticos, capacitivos o inductivos.

En una realización, el sistema comprende una pluralidad de dispositivos de detección en cada galería.

En una realización, el sistema de medición se dispone para medir una característica física entre los respectivos dispositivos de detección en diferentes galerías.

En un segundo aspecto, que no forma parte de la invención, se divulga un sistema de detección biestable para una estructura, el sistema comprende:

al menos un primer canal y un segundo canal dispuestos para sellar una superficie de la estructura para formar las respectivas primera y segunda galería selladas separadas;

un fluido contenido dentro de cada una de las galerías selladas;

una pluralidad de dispositivos de detección en cada una de las galerías; y

un sistema de medición conectado a los dispositivos de detección, el sistema de medición dispuesto para medir una característica física entre los dispositivos de detección en cada una de las galerías selladas y a través de los dispositivos de detección de las respectivas galerías.

En una realización de cualquier aspecto, el fluido se encuentra a una presión diferencial en comparación con la presión ambiental.

En una realización, pueden proporcionarse una o más galerías de compensación que contienen volúmenes respectivos de un fluido y se disponen para aislar el fluido de la superficie de la estructura, además la una o más galerías de compensación incluyen al menos un dispositivo de detección capaz de conectarse al sistema de medición.

En una realización, al menos una de las galerías de compensación se ubica entre la primera y la segunda galería. En una realización, cada una de las galerías de compensación, la primera galería y la segunda galería se disponen para contener sustancialmente el mismo volumen de fluido.

En una realización: (a) la una o más galerías de compensación comprenden una única galería de compensación que contiene un fluido que comprende una mezcla de los respectivos fluidos contenidos dentro de la primera galería y la segunda galería; o (b) la una o más galerías de compensación comprenden una primera galería de compensación que contiene un volumen del primer fluido, y una segunda galería de compensación que contiene un volumen del segundo fluido.

En una realización, el sistema de medición se dispone para usar mediciones de la característica física del fluido contenido dentro de una o más galerías de compensación para compensar los efectos ambientales sobre las mediciones realizadas con relación a la primera y la segunda galería.

En una realización, el sistema de medición se dispone para realizar un ciclo de medición que comprende (a) mediciones de la característica física del fluido en las respectivas galerías para proporcionar una indicación del estado operativo de las respectivas galerías; y en caso de un cambio en tales características proporcionar una indicación de la integridad de la estructura entre las galerías separadas; o (b) mediciones de la característica física del fluido en las respectivas galerías para proporcionar una indicación del estado operativo de las respectivas galerías; y mediciones de las características físicas a través de los dispositivos de detección de diferentes galerías para proporcionar una indicación de la integridad de la estructura entre las galerías separadas.

En una realización, la característica física es una característica eléctrica.

En una realización, la característica eléctrica es la conductancia o impedancia.

En una realización, el fluido es un líquido eléctricamente conductor.

En una realización de cualquier aspecto, un primer fluido se contiene dentro de la primera galería y un segundo fluido se contiene dentro de la segunda galería en donde el primer y el segundo fluido son diferentes entre sí.

En una realización, la característica física es la presencia del primer fluido en la segunda galería o del segundo fluido en la primera galería. Sin embargo, en una realización alternativa, la característica física es la presencia de un tercer fluido que surge de una reacción entre el primer fluido y el segundo fluido.

En una realización, los dispositivos de detección comprenden electrodos.

En una realización, cada galería comprende tres electrodos. Sin embargo, en una realización alternativa, cada galería puede comprender cuatro electrodos.

En una realización alternativa, la característica física es una variación en una firma espectral del primer fluido o del segundo fluido que surge de una contaminación del primer fluido por el segundo fluido o de la contaminación del segundo fluido por el primer fluido. En un ejemplo no limitativo de esta realización, el primer fluido puede contener nanopartículas que cuando se excitan por una señal electromagnética proporciona una primera firma espectral y el segundo fluido puede contener nanopartículas que cuando se excitan por la misma señal electromagnética proporciona una segunda firma espectral diferente. Sin embargo, debe entenderse que las realizaciones de firma espectral no dependen únicamente de nanopartículas para proporcionar diferencias espectrales detectables. Esta realización es aplicable a cualquier fluido que tenga una respuesta espectral diferente a la radiación electromagnética. Por ejemplo, los fluidos pueden ser o llevar tintes líquidos. Además, la radiación electromagnética no necesita ser necesariamente luz visible y podría incluir, por ejemplo, radiación ultravioleta, radiación infrarroja o un láser. En esta realización, el al menos un dispositivo de detección puede comprender un sensor óptico. La respuesta espectral también puede relacionarse con cambios en la polarización de la radiación EM debido a la mezcla de un fluido con otro.

En un tercer aspecto y un segundo aspecto de acuerdo con la invención, se divulga un método de monitoreo de la integridad de una estructura de acuerdo con la reivindicación 20.

En una realización, el monitoreo es con relación a una característica física independiente de la presión del fluido en una o más de las galerías.

En una realización, el monitoreo es con relación a una característica física independiente de la presión medida entre al menos dos de las galerías.

En una realización, el monitoreo de un cambio en una característica física independiente de la presión comprende el monitorear un cambio en una o más de: (a) una característica eléctrica; (b) una característica química; y (c) una característica óptica, de un fluido en una o más de las galerías.

En una realización, el método comprende:

instalar una o más galerías de compensación cerca de al menos una de la primera y segunda galería y en aislamiento fluídico de la superficie de la estructura;

colocar un fluido en una o más galerías de compensación; y

monitorear un cambio en la misma característica física independiente de la presión del fluido en una o más galerías de compensación que en la primera y segunda galería.

En una realización, colocar fluidos en las galerías comprende colocar un primer fluido en la primera galería y un segundo fluido en la segunda galería en donde el primer fluido es diferente al segundo fluido.

En una realización, el monitoreo comprende monitorear la presencia del primer fluido en la segunda galería o del segundo fluido en la primera galería.

En una realización, el monitoreo comprende monitorear la presencia de un tercer fluido derivado de la mezcla del primer fluido con el segundo fluido.

En una realización, colocar fluidos en las galerías comprende colocar un primer fluido que transporta nanopartículas de una primera firma espectral en la primera galería y colocar un segundo fluido que transporta nanopartículas de una segunda firma espectral diferente en la segunda galería.

En un cuarto aspecto que no forma parte de la invención, se divulga un sistema de detección biestable para una estructura, el sistema comprende:

al menos un primer canal y un segundo canal dispuestos para sellar una superficie de la estructura para formar las respectivas primera y segunda galería selladas separadas;

un fluido contenido dentro de cada una de las galerías selladas;

una pluralidad de sensores en cada una de las galerías; y

un sistema de medición conectado a los sensores, el sistema de medición dispuesto para medir un cambio en una característica física independiente de la presión entre los sensores (a) en la primera galería sellada; (b) en la segunda galería sellada; (c) en diferentes galerías; o (d) una combinación de dos o más de (a), (b) y (c), donde el cambio depende de un flujo másico de fluido entre las galerías selladas a lo largo de una grieta formada en la estructura entre la primera y la segunda galería.

En un quinto aspecto que no forma parte de la invención, se divulga un sistema de detección biestable para una estructura, el sistema comprende:

al menos un primer canal y un segundo canal dispuestos para sellar una superficie de la estructura para formar las respectivas primera y segunda galería selladas separadas;

un fluido contenido dentro de cada una de las galerías selladas;

una pluralidad de sensores en cada uno de los canales; y

un sistema de medición conectado a los sensores, el sistema de medición dispuesto para medir una característica física entre los sensores en cada una de las galerías selladas y a través de los sensores de las respectivas galerías.

En un sexto aspecto, que no forma parte de la invención, se divulga un sistema de detección biestable para una estructura, el sistema comprende:

al menos un primer canal y un segundo canal dispuestos para sellar una superficie de la estructura para formar las respectivas primera y segunda galería selladas separadas;

un primer fluido contenido dentro de la primera galería y un segundo fluido diferente contenido dentro de la segunda galería;

una pluralidad de sensores en cada uno de los canales; y

un sistema de medición conectado a los sensores, el sistema de medición dispuesto para medir una característica física entre los sensores en cada una de las galerías selladas y proporcionar una indicación de un defecto en la estructura tras la detección de una variación en las características físicas en una o ambas de la primera y segunda galería.

Breve Descripción de los Dibujos

Sin perjuicio de cualquier otra forma que pueda caer dentro del sistema y método como se establece en el Resumen, ahora se describirán las realizaciones específicas, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La Figura 1 es una representación esquemática de una almohadilla del sensor que puede incorporarse en una realización del sistema de detección biestable divulgado y el método asociado de monitoreo de la integridad de la estructura;

La Figura 2 es una vista de la sección A - A del sensor mostrado en la Figura 1;

La Figura 3 es una representación esquemática de las galerías incorporadas en una realización del sistema de detección cuando un sistema de medición incorporado en el sistema de detección depende de las mediciones de conductancia eléctrica para proporcionar una indicación de la integridad de la estructura;

La Figura 4 es un circuito eléctrico equivalente a las galerías mostradas en la Figura 3 cuando una grieta se propaga entre las galerías y facilita el flujo másico de fluido entre las galerías;

La Figura 5 es una representación esquemática de las mediciones de conductancia realizadas para determinar la existencia o no de una grieta en una superficie de la estructura que se extiende entre la primera y la segunda galería mostradas en la Figura 3;

La Figura 6 es una representación esquemática de una galería del sensor mostrado en la Figura 1 que utiliza dos dispositivos de detección;

La Figura 7 es una representación esquemática de una galería del sensor mostrado en la Figura 1 que utiliza tres dispositivos de detección;

La Figura 8 es una representación esquemática de una galería del sensor mostrado en la Figura 1 que utiliza cuatro dispositivos de detección;

La Figura 9 es una representación esquemática de una configuración de dispositivo de detección interdigitado que puede incorporarse en cualquier realización del sistema de detección biestable divulgado y el método asociado de monitoreo de la integridad de una estructura;

La Figura 10 es una representación esquemática de una almohadilla del sensor que puede incorporarse en una segunda realización del sistema divulgado mostrado que se diferencia de la almohadilla mostrada en la Figura 1 por la inclusión de una galería de compensación;

La Figura 11 es una representación esquemática de una tercera realización del sistema de detección biestable divulgado y el método asociado de monitoreo de la integridad de la estructura en la que una variación en una característica independiente de la presión de un fluido en una o ambas de la galería de detección, pero no una variación medida entre las galerías se usa para detectar la existencia de una grieta que se extiende entre las galerías; y

La Figura 12 es una representación esquemática de la cuarta realización del sistema de detección biestable divulgado que utiliza una pluralidad de almohadillas del sensor conectadas similares a las mostradas en la Figura 11 pero conectadas entre sí de una manera en serie.

Descripción Detallada de las Realizaciones Específicas

Las Figuras 1 y 2 ilustran componentes de una realización del sistema de detección biestable (BSS) 10 divulgado. El BSS 10 en esta realización tiene un primer canal 12 y un segundo canal 14 que se disponen para sellar sobre una superficie 16 de una estructura 18. Cuando se sellan sobre la estructura 18, el primer y segundo canal 12 y 14 forman las respectivas primera y segunda galería 20 y 22 separadas. Un fluido F1 está en la primera galería 20 y un fluido F2 está en la segunda galería 22. Como se explica más adelante a continuación, en algunas realizaciones, el fluido F1 es el mismo que el fluido F2. Sin embargo, en otras realizaciones, los fluidos F1 y F2 son diferentes entre sí. El BSS 10 también tiene un sistema de medición 24 que se dispone para medir un cambio en una característica física independiente de la presión:

a) en la primera galería 20,

b) en la segunda galería 22,

c) entre la primera galería 20 y la segunda galería 22, o

d) una combinación de dos o más de a), b) y c).

Para facilitar la medición de las características físicas independientes de la presión, las realizaciones del BSS 10 pueden incorporar al menos un dispositivo de detección en cada galería que se conecta al sistema de medición 24. Como se explica con mayor detalle a continuación, los dispositivos de detección pueden tener la forma, pero no limitándose a, por ejemplo, electrodos o sensores ópticos.

En la realización mostrada en la Figura 1, hay dos dispositivos de detección 26 y 28 en la primera galería 20 y dos dispositivos de detección 30 y 32 en la galería 22. Los dispositivos de detección pueden estar en contacto físico directo con el fluido en las galerías 20, 22, aunque no es necesario que lo estén. Por ejemplo, podría haber un acoplamiento magnético, capacitivo o inductivo entre los dispositivos de detección y el fluido.

El BSS 10 en la realización de la Figura 1, los canales 12 y 14 se forman en una almohadilla del sensor 34. Los dispositivos de detección 26, 28, 30 y 32 convenientemente se incrustan en la almohadilla 34. Además, los respectivos cables 26L, 28L, 30L y 32L pueden incrustarse, pero también extenderse desde la almohadilla del sensor 34 para facilitar la conexión a los respectivos cables 36, 38, 40 y 42 del sistema de medición 24.

En la realización del BSS 10 mostrada en las Figuras 1 y 2, el fluido F1 y el fluido F2 pueden ser el mismo y cada uno puede comprender un líquido eléctricamente conductor. También en esta realización, los dispositivos de detección 26, 20, 30 y 32 son electrodos simples.

Con referencia a la Figura 3, el sistema de medición 24 ahora se dispone y/u opera para medir la característica física de la conductancia eléctrica (o impedancia) de las galerías 20 y 22. (Por supuesto, se supone que la almohadilla del sensor 34 se sella sobre una superficie no conductora 16. Si la superficie 16 es conductora (por ejemplo, debido a que se fabrica de un material conductor) entonces se aplica una capa aislante no conductora entre la almohadilla 34 y una superficie 16.)

El sistema de medición 24 medirá una conductancia G1 en la galería 20 y una conductancia G2 en la galería 22. El valor exacto de la conductancia medida no tiene importancia. El sistema de medición 24 puede operarse selectivamente para tomar estas mediciones: periódicamente, por ejemplo, pero no limitándose a, cada segundo o cada minuto o cada 10 minutos; continuamente; o bajo demanda. Una medición sustancialmente constante de la conductancia G1 y G2 en cada período de medición indica una continuidad e integridad de las galerías 20 y 22. La Figura 4 ilustra la disposición de las galerías 20 y 22 mostradas en las Figuras 1-3 pero donde una grieta 44 se ha propagado entre las galerías 20 y 22. La grieta 44 proporciona un canal de comunicación entre las galerías 20 y 22, particularmente cuando la estructura 16 está bajo carga dinámica. Bajo tal carga dinámica, es muy probable que la grieta 44 se abra y se cierre continuamente y, en consecuencia, actúe como una bomba peristáltica para ayudar a transferir los fluidos F1 y F2 entre las galerías 20 y 22.

En esta realización del BSS 10, el sistema de medición 24 no solo mide la característica física de la conductancia en cada una de las galerías 20 y 22, sino que también puede medir la conductancia eléctrica entre las galerías 20 y 22. Esto puede lograrse al tomar una medición de la conductancia entre los electrodos 26 y 32; o entre los electrodos 22 y 28; o ambos.

Cuando no hay grieta 44, o al menos ninguna grieta 44 de longitud suficiente para extenderse entre las galerías 20 y 22 y romperlas, las mediciones de conductancia entre las galerías 20 y 22 serán cero. Sin embargo, una medición de la conductancia distinta de cero entre las galerías 20 y 22 proporciona una indicación de la existencia de la grieta 44. La medición de la conductancia distinta de cero debe o al menos es muy probable que también se registre bajo condiciones de carga estática porque el fluido F1, F2 permanecerá en la grieta 44 incluso cuando se cierre, lo que proporciona una ruta de conductancia entre las galerías 20 y 22. Esto proporciona el aspecto "biestable" del sistema y método divulgados en el que el sistema es estable en dos modos independientemente de las condiciones de carga. El BSS 10 proporcionará una lectura indicativa de la existencia de una grieta entre las dos galerías 20 y 22 independientemente de si la grieta 44 se abra o se cierre.

La Figura 1 representa la almohadilla del sensor 34 cerca de un sujetador tal como un remache 35. La grieta 44a se muestra extendiéndose desde el sujetador 35 hasta la galería 22. Esto puede conducir a un flujo de fluido F2 desde la galería 22 a lo largo de la grieta 44 hacia el sujetador 35. Como resultado, las mediciones de conductancia entre los electrodos 30 y 32 en la galería 22 pueden cambiar debido a una concentración disminuida del fluido F2. El BSS 10 puede medir y comparar este cambio con un umbral. Se reconocerá que este cambio puede ser la indicación de una grieta 44a o de hecho una falla, tal como una separación o pérdida de sellado entre el canal 14 y la superficie 16. Este último puede considerarse una indicación de "falso positivo" de una grieta. Sin embargo, si no hay cambios en la medición de la conductancia dentro de la galería 20 y, más particularmente, no hay cambios en la medición de la conductancia entre las galerías 20 y 22 (es decir, entre el electrodo 26 y el electrodo 32; o el electrodo 32 y el electrodo 28), entonces el BSS 10 no proporcionará una indicación de una grieta de una longitud o configuración suficiente para proporcionar una ruta de comunicación entre las galerías 20 y 22.

En la realización descrita anteriormente, el BSS 10 se describe como que tiene cuatro dispositivos de detección 26, 28, 30 y 32, cada uno en forma de electrodos. Sin embargo, también pueden proporcionarse uno o más electrodos de referencia, como se comprende bien en la técnica, para compensar el efecto de los cables entre el sistema de medición 24 y los electrodos 26, 28, 30 y 32. Esto se explica con mayor detalle con referencia a las Figuras 6-8 adjuntas.

La Figura 6 muestra una única galería 20 con los electrodos 26 y 28 cerca de los extremos opuestos de la galería 20. Esta es la disposición descrita anteriormente en el BSS 10 descrito con relación a las Figuras 1-5. Se conoce bien en las técnicas de medición que al medir características eléctricas tales como la conductancia o impedancia, el dispositivo de medición real en sí y, en particular, los cables o conductores que conectan el dispositivo de medición a un componente cuya conductancia o resistencia se mide pueden tener un impacto significativo en la medición real. Por ejemplo, si uno intenta obtener mediciones de resistencia de, digamos, fracciones de un ohmio y los cables usados en el sistema de medición tienen una resistencia del mismo orden de magnitud o incluso uno o dos órdenes de magnitud menor, la resistencia del cable dañará la medición de resistencia real si no se compensa.

Además, las mediciones electroquímicas son generalmente de alta impedancia. El uso de electrodos de compensación compensa el sistema de medición por los efectos encontrados en una interfaz entre la conducción metálica en un alambre y la conducción iónica electroquímica del electrolito (fluido). Normalmente, el efecto más grande se denomina doble capa, que es una región delgada de iones eliminados en la interfaz electrodo-fluido. El efecto de la doble capa es capacitivo. Esta capacitancia obstaculiza los métodos impedimétricos tales como la voltamperometría y la amperometría. La inserción de los electrodos de compensación en este sistema corrige la señal aplicada al proporcionar una retroalimentación a los amplificadores. Para EIS (espectrometría de electro impedancia) y mediciones de resistencia de AC, esto puede no ser necesario ya que la naturaleza de una señal de AC permitirá que pase a través de la capacitancia formada por la doble capa

La Figura 7 representa una variación en la realización del BSS 10 donde un dispositivo de detección de compensación adicional en forma de electrodo 27 se coloca en la galería 20 cerca del electrodo 26. En tal variación, se colocaría un dispositivo de detección de compensación adicional similar en la galería 22.

La Figura 8 representa una variación adicional en la realización del BBS 10 donde un segundo dispositivo de detección de compensación en forma de electrodo 29 se coloca en la galería 20 cerca del electrodo 28. En esta variación, la galería 22 también se proporcionará con dos electrodos/dispositivos de detección de compensación. Los electrodos 26, 28, 30 y 32 pueden constar de alambre formado o regiones metalizadas. Además, en lugar de que los electrodos se formen como un electrodo de un solo punto o de tira, pueden disponerse para proporcionar una medición basada en el área, tal como se muestra con referencia a la Figura 9. Aquí, cada uno de los electrodos se interdigital para proporcionar la medición sobre un área sustancial de las respectivas galerías en lugar de simplemente en los extremos opuestos. Por ejemplo, el electrodo 26 comprende un bus Ba que se extiende a lo largo de la longitud de la galería 20 y una pluralidad de dedos 46 perpendiculares conectados. El electrodo 28 se forma con un bus Bb que se extiende a lo largo de la longitud de la galería 20 paralelo pero separado del bus Ba y que tiene una pluralidad de dedos 48 perpendiculares conectados. Los dedos 46 y 48 se entrelazan entre sí sobre una parte sustancial de la longitud de la galería 20.

De manera similar, los electrodos 30 y 32 se proporcionan con buses Bc y Bd respectivos con los dedos 50 y 52 perpendiculares conectados correspondientes.

La Figura 10 representa otra realización del sistema de detección biestable designado como 10' que se diferencia del BSS 10 solo por la forma de inclusión de una galería de compensación 56 que se ubica cerca de las galerías 20 y 22. La galería 56 también se ilustra en línea discontinua en la Figura 2. (Aunque solo se muestra una galería de compensación 56 en esta realización, como se explica más adelante, otras realizaciones pueden comprender más de una galería de compensación). La galería 56 contiene un volumen del fluido F1, F2 o una mezcla de los mismos y se aísla de la superficie 16 de la estructura 18. Por tanto, la galería 56 no se afecta por la existencia o propagación de la grieta 44a.

La galería de compensación 56 también se proporciona con dispositivos de detección/electrodos 57 y 59 de configuración idéntica a los de las galerías 20 y 22. Se realizarán mediciones de continuidad de la misma característica física independiente de la presión en la galería 56 que en las galerías 20 y 22. El propósito de la galería de compensación 56 es permitir la compensación de los efectos ambientales en la medición de la compensación de la característica física independiente de la presión. Estos efectos ambientales pueden incluir, por ejemplo, cambios en la temperatura. Tales cambios pueden resultar, por ejemplo, en un cambio en el nivel de energía del fluido en las galerías 20 y 22. Sin embargo, también se esperará el mismo cambio en la galería de compensación 56. Cualquier cambio detectado en la galería de compensación 56 se resta de cualquier cambio detectado durante las mediciones de continuidad de las principales galerías de detección 20 y 22.

Por lo tanto, si las mediciones de continuidad indican un cambio en una característica física en una o ambas de las galerías 20 y 22 y se detecta el mismo cambio en la galería de compensación 56, que como se mencionó anteriormente se aísla físicamente de la superficie 16, entonces es muy probable que el cambio se deba a efectos ambientales más que a la existencia de una grieta 44.

La galería de compensación 56 debe tener preferentemente las mismas características físicas y configuración que las galerías 20 y 22. Es decir, la galería 56 debe tener la misma longitud, ancho y profundidad que las galerías 20 y 22. Además, la galería de compensación 56 debe ubicarse preferentemente junto con las galerías 20 y 22. En un ejemplo, la galería de compensación 56 puede estar entre las galerías 20 y 22. Además, la galería 56 debe contener el mismo volumen de fluido que las galerías 20 y 22 y a la misma presión.

Cuando el fluido F1 y F2 son iguales, entonces la galería 56 también contendrá el mismo fluido. En el caso de que el fluido F1 y F2 sean diferentes (por ejemplo, como se describe en realizaciones posteriores), hay dos opciones para la galería de compensación 56. En una primera opción, la galería 56 puede llenarse con una mezcla igual de los fluidos F1 y F2. Sin embargo, en una segunda opción, la galería de compensación 56 puede ser una de las dos galerías de compensación, una que contiene el fluido F1 y la otra que contiene el fluido F2.

Las realizaciones del BSS 10 y BSS 10' pueden clasificarse como realizaciones de "conductancia" en el sentido de que dependen de una medida de conductancia eléctrica entre las galerías 20 y 22 (es decir, de un electrodo en una galería a otro electrodo en la otra galería) para proporcionar una indicación de la existencia de una grieta 44. Sin embargo, otras realizaciones del BSS 10 pueden utilizar características físicas independientes de la presión alternativas para detectar la existencia de una grieta 44. Tales características pueden requerir la medición solo dentro de las galerías específicas en lugar de entre las galerías. Ejemplos de estas realizaciones son una realización de "contaminación" y una realización de "reacción", las cuales se explican a continuación.

En las realizaciones de "contaminación" del BSS 10, los fluidos F1 y F2 son diferentes entre sí. En estas realizaciones, el sistema de medición 24 se dispone para detectar la contaminación de uno de los fluidos por el otro de los fluidos. Se genera y verifica una firma electroquímica para los fluidos F1 y F2 durante las partes de continuidad de un ciclo de medición del sistema de medición 24. La detección de la firma electroquímica del fluido F1 en la segunda galería 22 o, a la inversa, la detección de la firma electroquímica del fluido F2 en la primera galería 20 surge de una transferencia de masa del fluido desde una galería a la otra galería. En ausencia de una falla en el BSS 10, esto es indicativo de una grieta 44 que se extiende entre las galerías 20 y 22. Tal grieta 44 proporciona una ruta de comunicación entre las galerías 20 y 22 para permitir el flujo de los fluidos F1 y F2. En particular, la apertura y el cierre naturales de la punta de una grieta y una carga dinámica con la acción capilar de los fluidos proporcionarán la fuerza motriz para los fluidos.

Opcionalmente, los fluidos F1 y F2 en las galerías 20 y 22, respectivamente, también pueden estar bajo una presión diferencial con referencia a la presión ambiental. En diferentes circunstancias y aplicaciones, esto puede ser un diferencial positivo o negativo. En la presente realización, se aplica una precarga o diferencial positivo a los fluidos F1, F2 para ayudar además a facilitar el flujo másico del fluido desde una galería a la otra. En una realización alternativa, puede haber una presión diferencial de fluido entre las galerías 20, 22. Por ejemplo, la presión del fluido en una galería que debe estar más cerca de un posible sitio de inicio de grietas puede ser mayor que la presión del fluido en una galería adyacente que se separa más del sitio de inicio.

En las realizaciones de contaminación pueden usarse técnicas de medición electroquímica estándar tales como espectroscopía amperométrica, voltamétrica y de impedancia. Por tanto, las realizaciones del sistema y método divulgados no se limitan a las mediciones eléctricas descritas con relación a la realización mostrada en las Figuras 1­ 9. También debe entenderse que, como resultado, las realizaciones del sistema y método divulgados no se limitan a depender de las mediciones de una característica física entre las galerías 20 y 22. Las mediciones dentro de las galerías 20 y 22 por sí solas pueden usarse en varias realizaciones para proporcionar la indicación de la existencia de una grieta 44 que se extiende entre las galerías 20 y 22. También pueden emplearse técnicas ópticas que implican absorción y/o fluorescencia.

Las Figuras 11 y 12 ilustran una realización del BSS 10" que depende de la detección de características ópticas de los fluidos dentro de las galerías para proporcionar una indicación de la existencia de una grieta 44 en la estructura 18. Un beneficio de esta realización es que no requiere que se comuniquen las señales eléctricas entre el sistema de medición 24 y las galerías 20, 22. Pueden utilizarse más bien señales ópticas. Esto puede ser de gran beneficio cuando se requiere el monitoreo estructural en regiones donde el uso de señales eléctricas puede ser peligroso. Ejemplos de esto incluyen tanques de combustible en aeronaves y reactores en plantas químicas.

Con referencia a la Figura 11, el BSS 10", las galerías 20 y 22 se llenan con un líquido que contiene nanopartículas fluorescentes. Las nanopartículas en las respectivas galerías se disponen para emitir fluorescencia en diferentes longitudes de onda. Por ejemplo, el fluido F1 en la galería 20 puede tener nanopartículas fluorescentes que emiten fluorescencia en las longitudes de onda rojas, mientras que el fluido F2 en la galería 22 puede tener nanopartículas que emiten fluorescencia en las longitudes de onda verdes. En esta realización, los dispositivos de detección 26 y 28 tienen forma de detectores ópticos. Se observará que, a diferencia de las realizaciones anteriores, cada galería tiene un solo detector. Sin embargo, además, cada galería también se proporciona con una entrada/excitador óptico 60 que irradia los fluidos F1, F2 con radiación óptica de un ancho de banda que al menos se extiende entre ellos e incluye aquellos que causan la fluorescencia de las nanopartículas en ambos fluidos F1, F2. Los detectores ópticos 26, 28 se acoplan mediante fibras ópticas al sistema de medición 24.

Durante la calibración inicial del BSS 10", el sistema de medición 24 adquirirá una firma óptica para cada una de las galerías 20 y 22. Cuando el BSS 10" está en operación, el sistema de medición 24 realizará mediciones periódicas de la respuesta óptica a la entrada óptica 60 y la comparará con las firmas respectivas. Las mediciones periódicas del sistema 24 operan simultáneamente como mediciones de continuidad para cada una de las galerías 20, 22 así como también mediciones de detección de grietas. Una expectativa durante la medición de continuidad es que, si hay una fuga en las galerías debido, por ejemplo, a una separación parcial de la almohadilla del sensor 34 de la superficie 18, entonces habrá una atenuación en la respuesta óptica sin un cambio en la longitud de onda. Sin embargo, en el caso de que una grieta 44 se propague para proporcionar una comunicación fluida entre las galerías 20 y 22, la respuesta óptica esperada será un cambio en la longitud de onda fluorescente detectada en una o ambas de las galerías 20 y 22 que surge de la contaminación de un fluido por el otro.

La Figura 12 ilustra una realización adicional del BSS designado como 10'" que es una derivación y extensión del BSS10". En el BSS 10'", una pluralidad de almohadillas del sensor 34 se acopla al sistema de medición 24. Cada almohadilla del sensor 34 tiene una galería 22 que contiene nanopartículas fluorescentes, con diferentes galerías 22 que contienen nanopartículas que emiten fluorescencia en diferentes longitudes de onda. Cada almohadilla 34 también tiene una galería 20 que contiene un fluido de suspensión transparente. Las galerías 20 se agrupan en serie. El fluido en las galerías 20 circula a través de los conductos 62 y 64 a través del sistema de medición 24. Las galerías 22 en las respectivas almohadillas del sensor 34 pueden codificarse espectralmente con nanopartículas fluorescentes únicas para la almohadilla del sensor específica y su ubicación.

La entrada/excitador espectral 60 transmite la longitud de onda de excitación a cada una de las galerías 22 a través de una red troncal 66 de fibra óptica del excitador. La respuesta óptica a la longitud de onda de excitación se transmite al sistema de medición 24 a través de una red troncal 68 de fibra óptica de verificación. El sistema de medición 24 se dispone para medir la respuesta óptica del fluido de suspensión transparente que circula a través de las galerías 20. Si esta respuesta incluye componentes espectrales que tienen longitudes de onda correspondientes a la respuesta esperada de las nanopartículas fluorescentes, puede concluirse que existe una grieta. La ubicación de la grieta puede aislarse de la ubicación de la almohadilla del sensor 34 que tiene la galería 22 que contiene las nanopartículas que proporcionan la respuesta espectral correspondiente.

En las realizaciones de "reacción" del BSS 10, los fluidos F1 y F2 son diferentes entre sí y se disponen de manera que se produce un tercer fluido químicamente distinto F3 cuando los productos químicos F1 y F2 contactan entre sí. El sistema de medición 24 se dispone para detectar el fluido F3 (además de monitorear los fluidos F1 y F2 al menos para la medición de la integridad). Un cambio en la concentración del fluido F1 o F2 puede ser indicativo de: el comienzo y la propagación inicial de una grieta; o una separación de la almohadilla del sensor 34 de la superficie 18. Sin embargo, es probable que la detección del fluido F3 sea indicativa de una grieta que se propaga entre las galerías 20 y 22 lo que permite la mezcla del fluido F1 y F2. Si bien se han descrito en detalle realizaciones específicas del sistema de monitoreo biestable y el método asociado de monitoreo estructural, debe apreciarse que el sistema y el método pueden realizarse de muchas otras formas. Por ejemplo, en cada una de las realizaciones de las almohadillas del sensor 34 se han mostrado cada una con solo dos galerías de sensores 20 y 22. Sin embargo, las almohadillas del sensor 34 pueden tener más galerías de sensores. Esto permite monitorear la propagación de grietas y la tasa de propagación para una longitud mayor que la que puede lograrse al tener solo dos galerías de sensores. Además, las galerías de sensores 20 y 22 se muestran configuradas como galerías rectas. Sin embargo, las galerías pueden tener otras configuraciones tales como círculos concéntricos. Por supuesto, esto requiere una reconfiguración de las correspondientes almohadillas del sensor 34. Tales almohadillas del sensor pueden dimensionarse para tener una apertura central que puede colocarse alrededor de una característica tal como la cabeza de un sujetador en una estructura. De esta manera pueden detectarse grietas que irradian en cualquier dirección desde la cabeza del sujetador u otro elemento, dispositivo o estructura central.

Claims (26)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de detección (10) para la detección de una grieta (44) en una estructura (18), comprendiendo el sistema:

al menos un primer canal (12) y un segundo canal (14) dispuestos para sellar una superficie (16) de la estructura para formar las respectivas primera y segunda galería selladas separadas (20, 22);

un fluido (F1, F2) contenido dentro de cada una de las galerías selladas (20,22); y

un sistema de medición (24) dispuesto para medir un cambio en una característica física independiente de la presión (a) en la primera galería sellada (20); (b) en la segunda galería sellada (22); (c) a través o entre diferentes galerías (20, 22); o (d) una combinación de dos o más de (a), (b) y (c)

caracterizado porque el fluido es un líquido eléctricamente conductor o un líquido que contiene nanopartículas fluorescentes y donde el cambio depende de un flujo másico del líquido desde una de, o entre, las galerías selladas a través de una grieta sobre o en la estructura; y que el sistema de detección es estable en dos modos independientemente de las condiciones de carga en la estructura, los dos modos son un modo comprometido y un modo no comprometido.

2. El sistema de detección (10) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además al menos un dispositivo de detección (26, 28, 30, 32) en cada una de las galerías, el al menos un dispositivo de detección en comunicación con el sistema de medición y dispuesto para detectar o habilitar la detección de la característica física independiente de la presión.

3. El sistema de detección (10) de acuerdo con la reivindicación 2, que comprende una pluralidad de dispositivos de detección (26, 28; 30, 32) en cada galería.

4. El sistema de detección (10) de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el sistema de medición se dispone para medir la característica física independiente de la presión entre los respectivos dispositivos de detección en diferentes galerías (20, 22).

5. El sistema de detección (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el fluido se encuentra a una presión diferencial en comparación con la presión ambiental.

6. El sistema de detección (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende una o más galerías de compensación (56) en donde una o más galerías de compensación contienen un volumen de un líquido y se disponen para aislar el líquido de la superficie (16) de la estructura (18), la una o más galerías de compensación (56) incluyen además al menos un dispositivo de detección (57, 59) capaz de conectarse al sistema de medición.

7. El sistema de detección (10) de acuerdo con la reivindicación 6, en donde al menos una de las galerías de compensación (56) se ubica entre la primera y la segunda galería (20, 22).

8. El sistema de detección (10) de acuerdo con la reivindicación 6 o 7, en donde cada una de las galerías de compensación (56), la primera galería (20) y la segunda galería (22) se disponen para contener sustancialmente el mismo volumen de líquido.

9. El sistema de detección (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en donde: (a) la una o más galerías de compensación (56) comprenden una única galería de compensación que contiene un volumen de líquido que comprende una mezcla de los respectivos líquidos contenidos dentro de la primera galería (20) y la segunda galería (22); o (b) la una o más galerías de compensación comprenden una primera galería de compensación que contiene un volumen del primer líquido y una segunda galería de compensación que contiene un volumen del segundo líquido.

10. El sistema de detección (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, en donde el sistema de medición (24) se dispone para usar mediciones de la característica física del líquido contenido dentro de una o más galerías de compensación (56) para compensar los efectos ambientales en mediciones realizadas con relación a la primera y segunda galería (20, 22).

11. El sistema de detección (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sistema de medición (24) se dispone para realizar un ciclo de medición que comprende (a) mediciones de la característica física del líquido en las respectivas galerías para proporcionar una indicación del estado operativo de las respectivas galerías; y en caso de un cambio en tales características proporcionar una indicación de la integridad de la estructura entre las galerías separadas; o (b) mediciones de las características físicas del líquido en las respectivas galerías para proporcionar una indicación del estado operativo de las respectivas galerías; y mediciones de las características físicas a través de los dispositivos de detección de diferentes galerías para proporcionar una indicación de la integridad de la estructura (18) entre las galerías separadas.

12. El sistema de detección (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-11, en donde el líquido es un líquido eléctricamente conductor y la característica física independiente de la presión es una característica eléctrica y preferentemente es conductancia o resistencia.

13. El sistema de detección (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde un primer líquido (F1) se contiene dentro de la primera galería (20) y un segundo líquido (F2) se contiene dentro de la segunda galería (22) en donde el primer y segundo líquidos son diferentes entre sí.

14. El sistema de detección (10) de acuerdo con la reivindicación 12, en donde la característica física independiente de la presión es la presencia de: (a) el primer líquido en la segunda galería; o (b) el segundo líquido en la primera galería; o (c) un tercer líquido que surge de una reacción entre el primer líquido y el segundo líquido.

15. El sistema de detección (10) de acuerdo con la reivindicación 12 o 14, en donde los dispositivos de detección (26, 28, 30, 32) comprenden electrodos.

16. El sistema de detección de acuerdo con la reivindicación 15, en donde cada galería comprende tres electrodos o cuatro electrodos (26, 27, 28, 29).

17. El sistema de detección (10", 10"') de acuerdo con la reivindicación 13, en donde el líquido es un líquido que contiene nanopartículas fluorescentes y la característica física independiente de la presión es una variación en una firma espectral del primer líquido o del segundo líquido que surge de una contaminación del primer líquido por el segundo líquido o la contaminación del segundo líquido por el primer líquido.

18. El sistema de detección (10", 10"') de acuerdo con la reivindicación 17, en donde el primer líquido contiene nanopartículas que cuando se excitan por una señal electromagnética proporcionan una primera firma espectral y en donde el segundo líquido contiene nanopartículas que cuando se excitan por la misma señal electromagnética proporcionan una segunda firma espectral diferente.

19. El sistema de detección (10", 10"') de acuerdo con la reivindicación 17 o 18, en donde el al menos un dispositivo de detección comprende un sensor óptico.

20. Un método de monitoreo de la integridad de una estructura (18) que comprende:

instalar al menos un primer canal (12) y un segundo canal separado (14) en la estructura (18) en donde una superficie (16) de la estructura junto con el primer canal y el segundo canal forman las respectivas primera y segunda galería (20, 22);

colocar fluidos (F1, F2) en las galerías;

y

monitorear un cambio en una característica física independiente de la presión en las galerías o entre las galerías; y en donde el cambio surge de un flujo másico de fluido de cualquiera de o entre al menos de las dos galerías;

caracterizado porque los fluidos son líquidos eléctricamente conductores o líquidos que contienen nanopartículas fluorescentes y que el cambio depende de un flujo másico del líquido desde una de, o entre, las galerías selladas a través de una grieta sobre o en la estructura; y que el monitoreo es estable en dos modos independientemente de las condiciones de carga en la estructura, los dos modos son un modo comprometido y un modo no comprometido.

21. El método de acuerdo con la reivindicación 20, en donde el monitoreo es con relación a una característica física independiente de la presión: del líquido en una o más de las galerías; o, medido entre al menos dos de las galerías (20, 22).

22. El método de acuerdo con la reivindicación 20 o 21, en donde los líquidos son eléctricamente conductores y el monitorear un cambio en una característica física independiente de la presión comprende monitorear un cambio en una o más de: (a) una característica eléctrica; (b) una característica electroquímica; y (c) una característica óptica, de un líquido en una o más de las galerías (20, 22).

23. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 20-22 que comprende:

instalar una o más galerías de compensación (56) cerca de al menos una de la primera y segunda galería (20, 22) y en aislamiento fluídico de la superficie de la estructura;

colocar un líquido en una o más galerías de compensación (56); y

monitorear un cambio en la misma característica física independiente de la presión del líquido en la una o más galerías de compensación que en la primera y segunda galería (20, 22).

24. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 20 a 23, en donde colocar líquidos en las galerías comprende colocar un primer líquido (F1) en la primera galería (20) y un segundo líquido (F2) en la segunda galería en donde el primer líquido (F1) es diferente al segundo líquido (F2).

25. El método de acuerdo con la reivindicación 24, en donde el monitoreo comprende monitorear la presencia de:

el primer líquido (F1) en la segunda galería (22) o el segundo líquido (F2) en la primera galería (20); o un tercer líquido derivado de la mezcla del primer líquido con el segundo líquido.

26. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 20-23, en donde colocar líquidos en las galerías comprende colocar un primer líquido (F1) que transporta nanopartículas de una primera firma espectral en la primera galería (20) y colocar un segundo líquido (F2) que transporta nanopartículas de una segunda firma espectral diferente en la segunda galería (22).