WO1997001095A1 - Procedimiento no destructivo para la medida automatizada de parametros estructurales en materiales ceramicos en verde - Google Patents

Procedimiento no destructivo para la medida automatizada de parametros estructurales en materiales ceramicos en verde Download PDF

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Tomas Gomez Alvarez-Arenas
Carlos VALDECANTOS MARTINEZ
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Tecal Centro De Tecnología De Control De Calidad, S.A.
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    • G01N2291/105—Number of transducers two or more emitters, two or more receivers

Definitions

  • the present invention relates, as expressed in the statement of this specification, to a non-destructive method for the automated measurement of structural parameters in green ceramic materials such that, using ultrasonic quality control techniques, for the purpose to determine the propagation time of the sound through ceramic pieces, allows to obtain by means of suitable algorithms for the study of this type of materials, the density and porosity of the analyzed sample.
  • the conformation of ceramic pieces is carried out by dry unidirectional pressing, given the regularity of its geometry and the high relationship between its surface dimensions and its thickness (making ceramic tiles).
  • the hydraulic presses that are used give the pieces sufficient mechanical strength so that their subsequent handling until cooking can be carried out without difficulties.
  • the method object of the invention consists in the use of ultrasonic transducers to measure the speed of acoustic propagation in ceramic pieces, in order to determine the density by means of an algorithm that relates said propagation speed and material parameters.
  • a source of electronic impulses, an ultrasonic transducer transmitter and another receiver and the electronics necessary for the reception and determination of the propagation time are necessary.
  • transducers are required to work in transmission, specially designed to be coupled to the sample by dry contact, given the impossibility of using fluid coupling means for pressed but not yet cooked ceramics.
  • the electronics used in the excitation of the transducers consist of an electric pulse generating card (with the possibility of reaching large amplitudes) and a multiplexer / demultiplexer system for the excitation and reception with several pairs of transducers simultaneously.
  • the acoustic signals received by the receiving transducers are sent to a card that allows the direct determination of the flight time of the acoustic signal inside the ceramics.
  • the data provided by the measurement system are treated by calculation algorithms, whose application to the field of green ceramic inspection is completely new.
  • the calculations associated with the execution of said algorithms, as well as the subsequent control of the production chain, are performed by computer.
  • the electronics capable of supporting the proposed procedure consists of a card (1) emitting high-voltage and power wave trains and receiving ultrasonic signals, a card (2) that determines the Acoustic wave propagation times through the ceramic medium, a CPU card (3), which is responsible for controlling the whole and an analog / digital input / output card (4) that serves as an interface with the outside world.
  • a multiplexer / demultiplexer (5) has been arranged that allows the use of a single ultrasonic emitter / receiver with several probes (6) properly arranged around the piece of ceramic material (7) being inspected.
  • the multiplexer / demultiplexer (5) must not present an additional load in the signal path to and from the transducer and does not have large requirements regarding the multiplexing speed.
  • the excitation signal is formed as a wave train of variable width of high voltage and power.
  • the center frequency of this signal is not more than 2 Mhz.
  • the transducers used achieve dry coupling with the piece of ceramic material (7) by means of a ⁇ ilicone band, material that does not have a high acoustic attenuation in relation to its suitability as a coupling medium.
  • the algorithm used to determine the density of the sample from the measurement of the propagation times of the ultrasonic signal inside the sample is obtained from the so-called "Biot Theory" that analyzes the propagation of an acoustic wave inside a porous solid saturated by a fluid.
  • the algorithm It is therefore especially powerful and allows the determination of a large number of parameters associated with the sample that may be of interest in future stages, in which the quality control requirements require more information. In this way, it is possible to obtain the degree of humidity, or that of compaction, or even the permeability of the sample. According to the invention, at this moment it is only interesting to obtain the density of the sample.
  • the one used here takes into account the special complexity of ceramics that is, by nature, porous.
  • the acoustic propagation takes place both in the pores and in the ceramic grains that make up the sample.
  • the acoustic propagation takes place in these media (considered as elastically and pores isotropically much smaller than the wavelength of the frequency sound to be used) verifies a system of differential equations coupled in which the divergence of the displacement vectors in the part intervenes solid and fluid and a parameter related to permeability, responsible for the visco ⁇ o type losses that appear in the sample.
  • the solid part is ceramic grains and the fluid part is mainly air, in which the humidity of the sample must be taken into account.
  • Other parameters involved in the equations have been linked in an arithmetically simple way to the compressibility modules of the fluid that fills the pores, of the solid grains that constitute the sample and of the porous structure, the modulus of the solid ⁇ and the porosity.
  • the system of differential equations provides two solutions, which correspond to the two modes of longitudinal propagation that may exist in a medium of these characteristics.
  • the only solution of interest is the one with the highest speed since the other is not usually observable.
  • the parameter to be obtained is the density of the sample, consisting of a sand compacted at high pressure with a certain moisture content, therefore, the resulting ceramic is a porous material, whose porosity is directly related to the density.
  • Porosity is one of the key parameters when characterizing a material, since it depends on the compressibility module of the porous structure (which directly influences the speed of propagation and the pore size depends on attenuation.
  • the relationship between the compressibility module and the density is linear, so it is possible to obtain the variation of the propagation speed with the porosity.

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Abstract

El procedimiento comprende los pasos de: mediante una banda de silicona, acoplar a la pieza de cerámica que se desea inspeccionar (7) dos transductores ultrasónicos, uno emisor y otro receptor; emitir ondas ultrasónicas y medir su velocidad de propagación en la pieza (7); y determinar la densidad a través de un algoritmo que la relaciona con dicha velocidad de propagación. Para la realización del procedimiento se utilizan medios electrónicos que consisten en una tarjeta emisora y receptora de señales ultrasónicas (1), una tarjeta que calcula los tiempos de propagación (2), una tarjeta de entrada/salida (4), un multiplexor/demultiplexor (5) y una unidad central de procesamiento (3), que controla el conjunto.

Description

PROCEDIMIENTO NO DESTRUCTIVO PARA LA MEDIDA AUTOMATIZADA DE PARÁMETROS ESTRUCTURALES EN MATERIALES CERÁMICOS EN
VERDE.
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere, según se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, a un procedimiento no destructivo para la medida automatizada de parámetros estructurales en materiales cerámicos en verde tal que, utilizando las técnicas de control de calidad por ultrasonidos, con el fin de determinar el tiempo de propagación del sonido a través de piezas cerámicas, permite obtener mediante algoritmos adecuados para el estudio de este tipo de materiales, la densidad y porosidad de la muestra analizada.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La conformación de piezas cerámicas se lleva a cabo por prensado unidireccional en seco, dada la regularidad de su geometría y la elevada relación entre sus dimensiones superficiales y su espesor (confección de losetas cerámicas) . Las prensas hidráulicas que se usan confieren a las piezas la suficiente resistencia mecánica para que su posterior manipulación hasta la cocción pueda llevarse a cabo sin dificultades.
Las variaciones de compactación del producto se traducen en dispersiones de los componentes individuales de un lote de fabricación (calibres) y en la aparición de piezas defectuosas por diferencias geométricas (descuadres) . Esta circunstancia encarece enormemente tanto el proceso de fabricación como el almacenamiento del material sobrante.
El incremento de laε exigencias de calidad en el acabado de los productos a lo largo de los últimos años, conlleva un aumento de interés por conocer las variables fundamentales del proceso de fabricación cerámico y su influencia en el producto final. Los estudios realizados acerca de este tema permiten demostrar que la densidad aparente en seco de una pieza afecta a su comportamiento en operaciones posteriores al prensado: secado y esmaltado, serigrafiado, cocción y enfriamiento, etc.
Actualmente, la tecnología de determinación de la densidad aparente en cerámicas se centra, principalmente, en técnicas mecánicas que someten a las probetas a una inmersión en mercurio, situación que permite determinar la relación peso/empuje de las mismas y, a partir de esta, la densidad aparente. Estas técnicas presentan unas obvias dificultades a la hora de incorporarlas a una cadena de producción como elementos de control de calidad.
La inspección no destructiva de materiales, se ha aplicado tradicionalmente con gran éxito en materiales metálicos (siderurgia e industria pesada) y, últimamente, en materiales compuestos del tipo de los utilizados en la industria aeronáutica, siendo menos habitual su aplicación en la cerámica dado que la medida de la velocidad de propagación acústica se realiza, en la mayor parte de los casos, mediante técnicas de inmersión o por contacto con acoplamiento líquido. La utilización de estas técnicas en el caso de piezas cerámicas en verde, resulta inviable si se desea preservar la integridad de la pieza inspeccionada, no siendo conocidos sistemas diseñados para medir la citada variable por contacto sin acoplamiento líquido y en medios de elevada atenuación (como en el caso de cerámicas en verde) .
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Como consecuencia de lo anteriormente expuesto, resulta evidente la importancia de una evaluación no destructiva de la producción a la salida de la etapa de prensado, hueco que permite cubrir el procedimiento no destructivo para la medida automatizada de parámetros estructurales de materiales cerámicos en verde, claramente enfocado a su posterior integración en un sistema de control de calidad en tiempo real de la etapa de prensado. El interés del control automatizado en esta parte de la producción y no en otra, reside en la posibilidad de reciclar muy fácilmente el material que no satisfaga el control de calidad establecido, con el consiguiente ahorro de costes.
El procedimiento objeto de la invención consiste en la utilización de transductores ultrasónicos para medir la velocidad de propagación acústica en piezas cerámicas, con el fin de determinar la densidad mediante un algoritmo que relaciona dicha velocidad de propagación y parámetros propios del material. Para ello, es necesaria una fuente de impulsos electrónicos, un transductor ultrasónico transmisor y otro receptor y la electrónica necesaria para la recepción y determinación del tiempo de propagación.
De forma más concreta, para desarrollar el procedimiento, son necesarios transductores para trabajar en transmisión, diseñados especialmente para acoplarse a la muestra mediante contacto en seco, dada la imposibilidad de emplear medios de acoplamiento fluidos para la cerámica prensada pero todavía no cocida. La electrónica empleada en la excitación de los transductores consiste en una tarjeta generadora de pulsos eléctricos (con posibilidad de alcanzar grandes amplitudes) y un sistema multiplexor/demultiplexor para la excitación y recepción con varias parejas de transductores de forma simultanea.
Las señales acústicas recibidas por los transductores receptores son enviadas a una tarjeta que permite la determinación directa del tiempo de vuelo de la señal acústica en el interior de la cerámica.
Los datos proporcionados por el sistema de medida, son tratados mediante algoritmos de cálculo, cuya aplicación al campo de la inspección de cerámicas en verde resulta completamente novedoso. Los cálculos asociados a la ejecución de dichos algoritmos, así como el control posterior de la cadena de producción, son realizados por ordenador.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, de una hoja de dibujos en la que en su única figura, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado un diagrama de bloques en el que aparecen los distintos módulos y elementos que permiten el soporte del procedimiento no destructivo para la medida automatizada de parámetros estructurales en materiales cerámicos en verde objeto de la invención. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de la figura, se puede observar que la electrónica capaz de soportar el procedimiento propuesto consta de una tarjeta (1) emisora de trenes de ondas de alta tensión y potencia y receptora de señales ultrasónicas, una tarjeta (2) que determina los tiempos de propagación de la onda acústica a través del medio cerámico, una tarjeta de CPU (3) , que se encarga del control del conjunto y una tarjeta de entradas/salidas analógicas/digitales (4) que sirve de interfase con el mundo exterior. Además, se ha dispuesto un multiplexor/demultiplexor (5) que posibilita la utilización de un solo emisor/receptor de ultrasonidos con varios palpadores (6) dispuestos de manera adecuada en torno a la pieza de material cerámico (7) objeto de inspección. El multiplexor/demultiplexor (5) no debe de presentar una carga adicional en el camino de la señal hacia y desde el transductor y no presenta grandes requerimientos respecto a la velocidad de multiplexado. La señal de excitación se conforma como un tren de ondas de anchura variable de alta tensión y potencia. La frecuencia central de esta señal no es superior a 2 Mhz.
Los transductores empleados consiguen el acoplamiento en seco con la pieza de material cerámico (7) por medio de una banda de εilicona, material que no presenta una elevada atenuación acústica en relación con su adecuación como medio acoplante.
El algoritmo empleado para la determinación de la densidad de la muestra a partir de la medida de los tiempos de propagación de la señal ultrasónica en el interior de la muestra se obtiene de la denominada "Teoría de Biot" que analiza la propagación de una onda acústica en el interior de un sólido poroso saturado por un fluido. El algoritmo es pues, especialmente potente y permite la determinación de un gran número de parámetros asociados a la muestra que pueden resultar de interés en etapas futuras, en las que los requisitos de controles de calidad requieran de una mayor información. De esta forma, es posible obtener el grado de humedad, o el de compactación, o incluso la permeabilidad de la muestra. Según la invención, en este momento solo interesa obtener la densidad de la muestra.
A diferencia de los algoritmos usados convencionalmente, el que aquí se emplea, tiene en cuenta la complejidad especial de la cerámica que es, por naturaleza, porosa. La propagación acústica tiene lugar tanto en loε poros como en los granos cerámicos que conforman la muestra. La propagación acústica tiene lugar en estos medios (considerados como isótropos elásticamente y de poros mucho menores que la longitud de onda del sonido de frecuencia a emplear) verifica un sistema de ecuaciones diferenciales acopladas en laε que intervienen la divergencia de los vectores desplazamiento en la parte sólida y fluida y un parámetro relacionado con la permeabilidad, responsable de las pérdidas de tipo viscoεo que aparecen en la muestra. En el caso de la cerámica en verde, la parte sólida son granos cerámicos y la parte fluida es principalmente aire, en el que habrá que tener en cuenta la humedad de la muestra. Otros parámetros que intervienen en las ecuaciones se hayan relacionados de forma aritméticamente sencilla con los módulos de compresibilidad del fluido que llena los poros, de los granos sólidos que constituyen la muestra y de la estructura porosa, el módulo de los granoε εólidoε y la poroεidad.
En el εupuesto que la onda de transmisión sea plana, el sistema de ecuaciones diferenciales proporciona dos soluciones, que se corresponden con los dos modos de propagación longitudinal que pueden existir en un medio de estas características. La única solución que interesa es la de mayor velocidad ya que la otra no suele ser observable.
Como ya se ha mencionado, el parámetro a obtener, es la densidad de la muestra, constituida por una arena compactada a alta presión con un cierto contenido de humedad, por tanto, la cerámica resultante es un material poroso, cuya porosidad está directamente relacionada con la densidad. La porosidad es uno de los parámetros clave a la hora de caracterizar un material, pues de ella depende el módulo de compresibilidad de la estructura porosa (que influye directamente sobre la velocidad de propagación y del tamaño del poro depende la atenuación.
De esta forma, si se conoce perfectamente la microestructura de la muestra, se puede desarrollar un modelo teórico con el que se pueden determinar todos los parámetros de interés del material a partir de la porosidad.
Si no se conoce la microestructura de la muestra (este eε el caεo que aquí se presenta) se puede deducir una ley empírica que relacione la porosidad con el módulo de compresibilidad de la estructura porosa (este módulo no es más que una medida de lo compactada que se haya la muestra) . Conocida esta relación, se tiene perfectamente caracterizado el material y se pueden variar (en el modelo teórico) otras magnitudes (como la humedad, o las propiedades elásticas de la arena empleada, etc.) y predecir cuales van a ser los cambios en la velocidad de propagación.
Para obtener esta ley empírica se han de realizar /01095 PC17ES96/00137
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medidas de velocidad y densidad para un caso patrón que se corresponda con las cerámicas a analizar en la cadena de producción.
Para una misma mueεtra porosa, al aumentar la densidad, disminuye la porosidad y aumenta el módulo de compresibilidad de la muestra, con lo que la velocidad aumenta. Esto explica que al aumentar la denεidad de la muestra aumenta la velocidad de propagación.
La relación entre el módulo de compresibilidad y la densidad es lineal, por lo que es posible obtener la variación de la velocidad de propagación con la porosidad.
La ejecución de un algoritmo empleado para la determinación de la densidad de la muestra en función de los tiempos de propagación del sonido en ella mediante la utilización de los medios descritos permiten la puesta en práctica del procedimiento de la invención que va a permitir el control de calidad de forma automatizada y en tiempo real de la producción de piezas cerámicas en la etapa de prensado.
No se considera necesario hacer más extensa esta descripción para que cualquier experto en la materia comprenda el alcance de la invención y las ventajas que de la misma se derivan.
Los materiales, forma, tamaño y distribución de los elementos, serán susceptibles de variación, siempre y cuando ello no suponga una alteración a la esencialidad de las características del invento.
Los términos en los que se ha redactado esta memoria descriptiva, deberán ser tomados siempre en sentido amplio y no limitativo.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
IB.- PROCEDIMIENTO NO DESTRUCTIVO PARA LA MEDIDA AUTOMATIZADA DE PARÁMETROS ESTRUCTURALES EN MATERIALES CERÁMICOS EN VERDE que, utilizando las técnicas de control de calidad por ultrasonidos, con el fin de determinar el tiempo de propagación del sonido a través de piezas cerámicaε, caracterizado porque mediante la utilización de tranεductores ultrasónicoε para medir la velocidad de propagación acúεtica en piezas cerámicas, se determina la densidad mediante un algoritmo que relaciona dicha velocidad de propagación con parámetros propios del material utilizando como medios de medida una fuente de impulsos electrónicos, un transductor ultrasónico transmisor y otro receptor con la particularidad de que el acoplamiento de ambos con la pieza a medir se realiza en seco mediante una banda de silicona y los medios electrónicos necesarios para la recepción y determinación del tiempo de propagación.
2§.- PROCEDIMIENTO NO DESTRUCTIVO PARA LA MEDIDA AUTOMATIZADA DE PARÁMETROS ESTRUCTURALES EN MATERIALES CERÁMICOS EN VERDE, según reivindicación primera, caracterizado porque los medios electrónicos están constituidos por una tarjeta (1) emisora de trenes de ondas de alta tensión y potencia y receptora de señales ultrasónicas, una tarjeta (2) que determina los tiempos de propagación de la onda acústica a través del medio cerámico, una tarjeta de CPU (3) , que se encarga del control del conjunto y una tarjeta de entradas/salidas analógicas / digitales (4) que sirve de interfase con el mundo exterior, habiéndose previsto además un multiplexor/demultiplexor (5) que posibilita la utilización de un solo emisor/receptor de ultraεonidos con varios palpadores (6) dispueεtos de manera adecuada entorno a la pieza de material cerámico (7) objeto de inεpección.
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