WO2012172146A1 - Procedimiento y sistema inalámbrico de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios para la predicción de resistencias mecánicas - Google Patents

Procedimiento y sistema inalámbrico de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios para la predicción de resistencias mecánicas Download PDF

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Sofia Aparicio Secanellas
Javier RANZ GARCÍA
Raquel GALÁN MORÓN
Eugenio VILLANUEVA GONZÁLEZ
Margarita GONZÁLEZ HERNÁNDEZ
José Javier Anaya Velayos
Miguel Angel GARCÍA IZQUIERDO
Jose Vicente FUENTE RAMÍREZ
Román FERNÁNDEZ DÍAZ
Vicent CISCAR MARTÍNEZ
Vicente ALBERT PÉREZ
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Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Universidad Politecnica de Madrid
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Asociacion De Investigacion De Industrias de la Construccion- Aidico- Instituto Tecnologico de la Construccion
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Universidad Politecnica de Madrid
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    • G01N2291/048—Transmission, i.e. analysed material between transmitter and receiver

Definitions

  • the present invention relates to a method and wireless system for measuring the degree of setting and hardening of cementitious materials for the prediction of mechanical strengths.
  • the invention is part of the Instrumentation for the Measurement of material properties.
  • the application sector of the invention is Construction, mainly quality control, both in the prefabricated industry and on site.
  • the first use of a technology for the control of setting-curing was made from the monitoring of the internal temperature in the cementitious material. Temperature reflects when hydration reactions occur during setting [Rad et al., 94] [Parrot et al., 90]. This monitoring is incomplete, since although it identifies the time in which the reactions occur, it does not allow the proportion of hydrated compounds or the amount of anhydrous cement to be assessed over the total volume.
  • One of the most used methods is the maturation method, "The Maturity Method", which has been widely used in the literature to monitor cure.
  • VICAT micro-penetrometer
  • the ultrasonic-based methods are suitable for curing monitoring since the propagation of these mechanical waves in the material studied can give us a good knowledge of the investigated medium.
  • parameters such as the time of flight, the attenuation, the variation of the reflection coefficient or the frequency content of the ultrasonic waves are closely related to the mechanical properties of the material, in particular in the period of formation (setting) and hardening. If these parameters are monitored throughout the entire process, they can provide very useful information to understand the evolution of the material.
  • Due to the power of the current low-cost computer systems it is possible to extract, in real time, other parameters of interest from the ultrasonic signals such as energy, time-frequency relationships (wavelets) etc. They need a high processing load. For these Causes
  • the use of ultrasound is presented as one of the most promising means to obtain good information on the setting and hardening period, obtaining the data directly on site.
  • the third parameter uses a pulse / echo configuration to measure the variation of the reflection coefficient of ultrasonic waves when they propagate between two materials with different acoustic impedances.
  • a piece of homogeneous, isotropic material is used, of which its propagation properties of the longitudinal and transverse waves are known and that one of its faces is polished and flat so that it functions as an interface with the cementitious material.
  • WSN wireless network technology
  • SHM Structure Health Monitoring
  • ASTM C403 / C403M-99 "Standard test method for time of setting of concrete mixtures by penetration resistance", American Society for Testing and Materials, Philadelphia, PA, 1999.
  • Carino, 84 Carino, NJ. "The maturithy method: theory and application”, Cement, Concrete and Aggregates 6 (2) (1984) 61-73.
  • Trtnik et al. 09] G. Trtnik et al. "Comparison between two ultrasonic methods in their ability to monitor the setting process of cement pastes", Cement and Concrete Research 39 (2009) 876-882.
  • PeszynskI et al. 10
  • PeszynskI, M. et al. "Wireless ultrasound monitoring device", WO / 2010/020939, 2010.
  • the wireless system for measuring the degree of setting and hardening of cementitious materials for predicting mechanical strengths of the present invention comprises:
  • a "RIS" wireless communication network composed of at least two nodes for the acquisition and processing of electronic signals from sensors
  • the computer system calculates a mechanical resistance of the cementitious material from the parameters elastic and monitored energy / environmental parameters.
  • the wireless system additionally comprises an "AS" coupling system of the ultrasonic sensor, the temperature sensor and the humidity sensor relative to the cementitious material.
  • the wireless system additionally comprises a calibration unit that performs a calibration procedure for the determination of the setting and hardening state "CEFE".
  • the elastic parameters are comprised of a propagation velocity "V” and a reflection coefficient "CR” and the energy / environmental parameters are comprised of a temperature "T” and a humidity "H".
  • the computer system comprises a main node and at least one secondary node such that the main node collects all data from the secondary node and sends it to the computer system for storage and processing.
  • the computer system comprises a microcontroller for each node included in the wireless network, where the microcontroller comprises means of implementing the ultrasonic sensor, the temperature sensor and the relative humidity sensor.
  • the means of implementation for the ultrasonic sensor additionally comprise:
  • the procedure for measuring the degree of setting and hardening of cementitious materials for the prediction of mechanical resistances for the system defined in any one of the previous embodiments comprises the following steps:
  • Figure 1 shows a block diagram according to the present invention.
  • FIG. 2 shows a block diagram according to the present invention.
  • FIG. 3 shows a block diagram according to the present invention.
  • Figure 4 shows a block diagram according to the present invention.
  • Figure 5 shows a block diagram according to the present invention.
  • Figure 6 shows a block diagram according to the present invention.
  • Figure 7 shows a block diagram according to the present invention.
  • Figure 8 shows a block diagram according to the present invention.
  • Figure 9 shows a block diagram according to the present invention.
  • Figure 10 shows a block diagram according to the present invention.
  • Figure 11 shows a conical device for coupling the temperature and humidity sensors.
  • Figure 12 shows a graph of the ultrasonic velocity in m / s versus time in hours.
  • Figure 13 shows a graph of the reflection coefficient CR versus time in hours.
  • Figure 14 shows two graphs of temperature (° C) and humidity (%) versus time in hours.
  • Figure 15 shows a graph of compressive strength (MPa) versus ultrasonic velocity (m / s).
  • Figure 16 shows a graph of the compressive strength (MPa) versus set time (hours) to calculate the compression resistance setting.
  • Figure 17 shows a graph of the ultrasonic speed (m / s) versus the time set (hours) to calculate the speed setting.
  • Figure 18 shows a graph for the calculation of
  • Figure 19 shows a graph of the compressive strength (MPa) versus the reflection coefficient.
  • Figure 20 shows a block diagram where the RIS is structured in a linear topology.
  • Figure 21 shows a block diagram where the
  • This system includes ultrasonic sensors (SUS) (1) and temperature and relative humidity (STH) sensors (3,4).
  • the elastic parameters of the material can be measured as the setting process occurs.
  • the parameters analyzed are speed and reflection coefficient (hereinafter CR) at an interface with a reference material, hereinafter (MR).
  • CR speed and reflection coefficient
  • MR reference material
  • These ultrasonic sensors are provided with a mechanism that allows the transducers to be coupled to the material to be monitored (FIG. 1, 2, 3, 4 for speed measurement and FIG. 5 for CR).
  • the system consists of a wireless network of motes or nodes composed of two or more devices (FIG. 6) that communicate by radio (16) provided with a microprocessor equipped with the different sensors.
  • the system is especially suitable for operation "in situ” so it can be used to monitor the processes of setting and hardening of concrete both on site and in prefabrication companies.
  • one of the objectives of the system is to determine the moment in which the material has reached sufficient strength, to be manipulated in the case of prefabricated ones, or to continue construction in the case of the works. Another also important objective is to ensure the quality and uniformity of the material as it is setting. The fulfillment of the first objective will result in the improvement of the profitability of the process and the second in a quality control of the manufactured materials, which will open a line of work for the development of specific regulations with the adoption of this invention, of interest to the application sector.
  • the technical problem to be solved is to monitor the process of setting cementitious materials either "on site” or in prefabricated companies.
  • Water, cement, dust, stones, are involved in the manufacture of cementitious materials.
  • iron, welds, cuts, movement of small and large machinery, etc. in addition it is usually done outdoors and most of the time personnel with low qualification intervene. You will hardly find an environment where the operating conditions are so harsh and changing.
  • two manufacturing processes can be distinguished with different requirements, on site and in prefabricated companies.
  • the structures to be monitored are generally smaller than those on site and with more limited forms, but they are often not in a fixed place but are moved and manipulated to optimize the manufacturing process.
  • wired monitoring systems in practice it is not feasible to use them in the second.
  • the material is first poured fresh into an area of the factory where the mixers and formwork are located with their corresponding vibration systems.
  • the system consists of three types of sensors (SUS, ST, SH), the coupling systems of the sensors to the material (AS), the calibration procedure for the determination of the setting and hardening state (CEFE) and a network Wireless communication composed of nodes that allow to acquire and process electronic signals from sensors (RIS).
  • Ultrasonic Suitable for the transmission of ultrasonic waves in the cementitious material, in principle the valid frequencies for this type of materials are in the range 40-500 kHz in the case of transmission measurements for the speed measurement and in the range of 400-1000 kHz for the pulse / echo case for the CR determination.
  • longitudinal wave transducers are used and for the CR transverse wave transducers.
  • these ranges will depend on the material analyzed.
  • the diameter of the sensors can also be variable but ideally they are between 25 and 50 rom.
  • the device For the measurement of the CR a device formed by the ultrasonic transducers and the MR is used.
  • the device In the case of concrete, the device consists of a cylinder of 8 cm axial axis and 6 cm in diameter with a cut of 3 mm deep and 1 mm thick as a slit in the upper base.
  • the upper base consists of two inclined planes with angles of 2 o , in which the SUS are placed, one of the emitter and one of the receiver acting to collect the direct reflections at the interface between the MR and the concrete.
  • Temperature The temperature range is that necessary for the environment between -20 ° C and 70 ° C. The sensors must be small in size and can be coupled to the microcontrollers of the network nodes.
  • Humidity Sensors of relative humidity measurement of reduced size and that can be coupled to the microcontrollers of the network nodes are needed.
  • Coupling a) Ultrasonic sensors: Two types of coupling are used:
  • the ultrasonic transducers (1) have an adapter layer (7) composed of solid silicone with small hemispherical protuberances (8) so that it allows a good coupling on rough surfaces such as concrete.
  • a mechanical system is required that allows the transducers to be firmly attached to the concrete with a constant pressure.
  • the clamping system varies according to the shape of the structure and the desired position of the ultrasonic sensor. For areas with horizontal support, it is sufficient that the coupling system has a certain weight to generate the desired pressure (5). In areas where it is not possible to have a horizontal support (FIG.
  • the pressure on the transducers (1) will be exerted by a preloaded spring (2) in such a way that sufficient pressure is exerted to obtain a correct coupling regardless of the possible retraction of the material.
  • the pressure exerted must be calibrated so that it does not deform the material at the time it is applied. It is also possible to couple the sensor in the formwork parts instead of directly in the material. In this case it will only be valid in the first hours of the process since the retraction of the material will separate it from the concrete formwork preventing the ultrasonic signal from reaching the material.
  • a mechanism fixed to the track can be used on each side and with the transducers on both sides of the piece (FIG.
  • a system can also be used where one of the transducers uses the track to transmit / receive the signal while the other is in in contact with the material (FIG. 3).
  • the transducers are coupled to the material and the track using a certain weight to generate the desired pressure (5).
  • the energy emitted by the transducer (9) will be transmitted to the track and this energy will in turn be transmitted through the material to be characterized to the receiving transducer (10) (FIG. 9).
  • a U-shaped system can be used with a screw on one side (6) with which the transducers fit the material (FIG. 4).
  • a direct coupling will be used, which consists of slightly introducing the device into the cementitious material immediately after its manufacture, it will be necessary to ensure that the shortest possible time elapses between the manufacture and the placement of the device.
  • a conical device (FIG.ll) will be used to create a small chamber inside the material so that it has practically the same humidity and temperature of the material but does not have direct contact with the sensor. In this way the sensors can be recovered and we prevent the water present in the material from saturating and rendering the humidity sensor useless.
  • This small camera can remain in the structure since its small size does not compromise its integrity (3).
  • the material of which the chamber is composed can be plastic or metallic and will have one or more sealed cavities (15) with a water-repellent fabric so as to allow moisture to pass through but not water.
  • the depth at which the camera is inserted is variable depending on the thickness of the structure but in principle it will be enough with a few centimeters (2 or 3) to obtain a good reference of the setting process.
  • an analogous chamber (4) will be used to the one introduced in the material so that the measurements are comparable.
  • the calibration procedure of the systems object of this patent will be based on an initial experimentation where several cubic specimens will be manufactured to monitor and acquire the ultrasonic velocity variation curves (FIG. 12), CR (FIG. 13) and the temperature and humidity of the material and the environment during the setting process (FIG. 14). At the same time that it is monitored, resistance tests will be carried out, thus obtaining a correlation between setting curves and concrete resistances (FIG. 15).
  • the calibration procedure considered in this system will relate the velocity and resistance for a given material using different versions of the Knudsen equation for the initial resistance and velocity adjustment.
  • Ts commissioning time
  • V (t) f c (2)
  • the CR parameter requires a previous calibration of the air sensing device, considering the air as a perfect and stable ultrasonic reflector, the CRo or reference value is obtained, which must be corrected in the actual monitoring measure on the material. This value will be very close to 1.
  • a type of signal is obtained with clear echoes from the rebound or reflection with the MR; Fourier transform of the signals of the properly poisoned echoes is performed, FIG. 18, according to the equation:
  • R C (CR) a ⁇ e b CR (6 ) where a and b are adjustment parameters (FIG. 19).
  • the temperature and humidity monitoring allow to determine when the setting process is finished and the hardening process begins and to predict the resistance, using the maturing method, Carino and Liao.
  • the resistance gain is a combined effect of time, temperature and humidity.
  • the humidity curves allow to determine if the setting is being carried out with a sufficient amount of water so that it acquires the resistance properties in the necessary time.
  • R max is the final resistance
  • k T H is the constant of the reaction dependent on T and h and is the moment at which hydration begins.
  • J u the value of h 0 and J u :
  • J u is the final humidity factor
  • k H is the constant of the reaction dependent on h
  • ho is the initial humidity. DETERMINATION OF THE STATE OF THE FRAGUATED PROCESS AND PREDITION OF FINAL PROPERTIES.
  • R c (V, CR, T, H) x v ⁇ R c (V) + x CR ⁇ R c (CR) + x TH ⁇ R c (T, H) ⁇ 1 0)
  • the RIS must allow the incorporation of both "hardware” and software for three types of sensors (FIG. 6): ultrasonic sensors (SUS) (17) suitable for concrete inspection, temperature sensors (ST) and humidity sensors (SH) (18).
  • the RIS should at least allow it to be structured in a linear topology (FIG. 20), and preferably in a tree (FIG. 21).
  • a main node (19) which collects all data from the secondary nodes (20) and sends it to a system computer (21) for storage and processing. Since the setting process is a relatively slow process, the acquisition of sensory signals should allow a data collection frequency of at least 1 take for every 2 minutes.
  • Each node of the wireless network consists of a microcontroller that must have the necessary resources available to be able to implement the necessary signal processing for the different built-in sensors.
  • Currently almost all commercial sensor networks have the possibility of incorporating humidity and temperature sensors.
  • the possibility of incorporating ultrasonic sensors suitable for concrete inspection requires a series of special features:
  • each node has a system of temporary counters to determine the flight time of the ultrasonic signal with precision better than tenths of a millisecond.
  • the system consists of a wireless communication network consisting of 5 sensorized nodes and a node connected to a laptop (base node). The latter is responsible for collecting all network data.
  • the system is used to monitor the setting and hardening processes of several concrete elements, one node being necessary for each measurement point to be monitored. one .
  • Sensors :
  • ii For the measurement of the CR: every 2 minutes an average of 3 acquired signals is made that eliminates possible noise, with a central inspection frequency of 500 kHz.
  • the attack voltage will be small, about 5V for narrow / wideband transducers interchangeably, such as those used by the Panametrics V151 brand with a diameter of 2.54 cm and with a gain of 40 dB.
  • Humidity Every 2 minutes the humidity inside the material is measured using 2 SHT75 (Sensirion) sensors and the ambient humidity. 2. Coupling: a) Ultrasonic sensors.
  • Ultrasonic transducers have an adapter layer composed of solid silicone with small hemispherical protrusions 50 mm in diameter. With transducers of dimensions 530 x 530 mm composed of a preloaded spring, the transducers are firmly attached to the concrete frame structure, with a constant pressure (FIG. 1). Direct coupling to the material is used for the case of the CR measurement (FIG. 5). b) Temperature and humidity sensors.
  • a 50 x 10 mm plastic tapered device (FIG.ll) is used so that it has practically the same humidity and temperature of the material but without direct contact. This device is inserted about 30 mm into the newly manufactured concrete. Each sensor is connected with a cable to the wireless node. To measure the ambient temperature and humidity, a chamber similar to that introduced in the material is used so that the measurements are comparable.
  • the base node is responsible for collecting all measurements of ultrasonic speed, CR, temperature and humidity taken by the different nodes that make up the network. This node is connected to the computer, through the serial port, where they are stored in a file. Then the variation curves of the ultrasonic velocity and the differential between the temperature and humidity of the material and the ambient temperature and humidity are analyzed and constructed as the setting process occurs.
  • the CR was calculated according to equation (4).
  • the CR has been adjusted using equation (5) and considering the data for up to 48 hours since, subsequently, the CR parameter varies more slowly. From this data the relationship between the CR and the resistance has been obtained using equation (6).
  • Each node of the wireless network has dimensions of 100 x 20 x 40 mm and is composed of an Atmegal28 microcontroller, a CC1000 radio chip with a frequency of 433 MHz, an ultrasonic emission sensor and a reception sensor, a serial port and 1 51 pin connector.
  • a data acquisition card is used with each node to connect the temperature and humidity sensors.
  • each node has an antenna with dimensions 143 x 10 mm. These devices work with 2 AA batteries.
  • To protect the nodes that make up the network they are encapsulated in boxes of dimensions 120 x 40 x 60 mm Sensory signals are acquired every 2 minutes. Each node will act as emitter and receiver of the ultrasonic pulse through the material.
  • a node is placed in each monitored concrete frame and the base node has to be within the coverage range of at least 1 of the nodes.
  • the information of each node is received by the base.
  • function 9 For the determination of the setting process state, functions 9 or 10 will be used.
  • function 9 was used to determine the minimum resistance to move the frame from the manufacturing area to the area. of storage.

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Abstract

El sistema inalámbrico de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios comprende un sensor ultrasónico, un sensor de temperatura, un sensor de humedad relativa, una red de comunicación inalámbrica compuesta por al menos dos nodos para la adquisición y procesamiento de señales electrónicas provenientes de sensores y un sistema informático, tal que el sistema informático calcula la resistencia mecánica del material cementicio. Por otro lado, el método comprende los siguientes pasos: capturar unos datos de temperatura Ty humedad H, capturar una señal ultrasónica para la medida de velocidad de propagación V, capturar una señal ultrasónica para la medida del coeficiente de reflexión CR, enviar todos los registros anteriores de las señales sensoriales al nodo principal, procesar las señales para obtener los parámetros velocidad V y coeficiente de reflexión CR, enviarlos datos obtenidos al sistema informático y calcular la resistencia mecánica mínima RC (V,CR,T,H) del material cementicio.

Description

PROCEDIMIENTO Y SISTEMA INALÁMBRICO DE MEDIDA DEL GRADO DE FRAGUADO Y ENDURECIMIENTO DE MATERIALES CEMENTICIOS PARA LA PREDICCIÓN DE RESISTENCIAS MECÁNICAS.
OBJE TO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un procedimiento y sistema inalámbrico de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios para la predicción de resistencias mecánicas.
La invención se encuadra en la Instrumentación para la Medida de las propiedades de los materiales. El sector de aplicación de la invención es la Construcción principalmente el control de calidad, tanto en la industria del prefabricado como en obra.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El primer uso de una tecnología para el control de fraguado-curado se realizó a partir de la monitorización de la temperatura interna en el material cementicio. La temperatura refleja cuando se producen las reacciones de hidratación durante el fraguado [Rad y et al., 94] [Parrot et al., 90] . Esta monitorización resulta incompleta, dado que aunque identifica el tiempo en que se producen las reacciones no permite evaluar la proporción de compuestos hidratados o la cantidad de cemento anhidro sobre el volumen total. Uno de los métodos más usados es el método de maduración, "The Maturity Method", el cual ha sido ampliamente utilizado en la bibliografía para monitorizar el curado. En el método de maduración [Carino, 84], [Pane, 02] se mide la variación de la temperatura durante la hidratación del hormigón para predecir la evolución de la resistencia a compresión. La mayor limitación de este método se debe a que además de variar la relación con cada composición del material cementicio, esta relación es muy sensible a la temperatura y humedad existentes en el proceso real, variables que pueden ser muy diferentes a las estudiadas en el laboratorio.
Otros métodos que se han utilizado son los basados en la medida mediante penetrómetro o micro-penetrómetro [ASTM 99], con el sistema denominado VICAT. Este sistema permite medir mediante indentaciones la profundidad de indentación y establecer el principio y el final del fraguado. Este método solo puede ser utilizado en pastas de cemento, ya que las probabilidades de pinchar en un árido en un hormigón son muy altas y resultaría medidas que introducirían un error significativo.
Los métodos basados en ultrasonidos son aptos para la monitorización del curado ya que la propagación de estas ondas mecánicas en el material estudiado nos puede aportar un buen conocimiento del medio investigado. Por ejemplo, parámetros tales como el tiempo de vuelo, la atenuación, la variación del coeficiente de reflexión o el contenido en frecuencia de las ondas ultrasónicas están estrechamente relacionados con las propiedades mecánicas del material, en particular en el periodo de formación (setting) y endurecimiento (hardening) . Si estos parámetros se monitorizan a lo largo de todo el proceso pueden aportar una información muy útil para comprender la evolución del material. Debido a la potencia de los sistemas informáticos actuales de bajo coste es posible extraer, en tiempo real, de las señales ultrasónicas otros parámetros de interés como energía, relaciones tiempo-frecuencia (wavelets) etc. que necesitan una carga de procesamiento elevada. Por estas causas el uso de ultrasonidos se presenta como uno de los medios más prometedores para obtener una buena información del periodo de setting y hardening, obteniendo los datos directamente en obra.
Los estudios más relevantes en los que se evalúa la capacidad que tienen los ultrasonidos de monitorizar el curado son los que utilizan dispositivos específicos de medidas y que monitorizan parámetros como:
Velocidades de propagación de ondas longitudinales y transversales, [Reinhardt et al., 04] [Voight et al., 06] .
Potencia transmitida [Trtnik et al., 09] .
Coeficiente de reflexión [Subramaniam et al., 02], [Acalla et al., 03]
Para las dos primeras se utilizan medidas de transmisión de las ondas ultrasónicas, con los sensores colocados alineados y enfrentados en las paredes de la celda de medida, donde se cura el material, el diseño de estas celdas solo permite medir el curado en pastas de cemento. El tercer parámetro utiliza una configuración en pulso/eco para medir la variación del coeficiente de reflexión de las ondas ultrasónicas cuando éstas se propagan entre dos materiales con diferentes impedancias acústicas. En este caso, se utiliza una pieza de material homogéneo, isótropo, del que se conozca sus propiedades de propagación de las ondas longitudinal y transversal y que una de sus caras esté pulida y plana para que funcione como interfase con el material cementicio.
En la década de los 90 se comenzó la investigación y desarrollo de la tecnología de redes inalámbricas (WSN) que permiten integrar sensores para monitorizar el estado de las estructuras (Structural Health Monitoring, SHM) [Phares et al., 05] . Numerosas publicaciones fueron dedicadas al estudio de WSN para la evaluación de la integridad estructural [Santana et al., 06- Grosse et al., 06] y un exhaustivo análisis del estado del arte de estas redes para su utilización en la monitorización de estructuras puede encontrarse en [Lynch et al., 06] .
En la literatura, muchos trabajos han estudiado el uso de la velocidad ultrasónica para la monitorización del proceso de curado y su relación con las medidas de la temperatura y humedad [Robeyst et al., 08; DelRío et al., 04] . Pero la mayoría de estos trabajos no usan redes inalámbricas. Entre los trabajos que usan redes inalámbricas ninguno se centra en el procedimiento de medición del fraguado [Aparicio et al., 10] .
En lo que concierne a publicación de patentes, diferentes publicaciones de sistemas de monitorización usando ultrasonidos han aparecido en los últimos años para su aplicación en diversos campos, como por ejemplo en medicina [PeszynskI et al., 10] . En lo que respecta a materiales cementicios, varias patentes han sido publicadas usando WSN [Hiñes et al., 07; Andrews, 08], pero ninguna se centra en los procesos de fraguado y endurecimiento de dichos materiales.
[Radjy et al., 94] Radjy, F.F. and Douglas, W.V., "Heat signature testing of concrete", in Scandella, R.J. (ed.) Structural Materials Technology: An NDT Conference (CRC Press, 1994) .
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DESCRIPCION DE LA INVENCION
Para la forma de realización preferida de la invención, el sistema inalámbrico de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios para la predicción de resistencias mecánicas de la presente invención comprende :
• al menos un sensor ultrasónico "SUS" para monitorizar unos parámetros elásticos de un material cementicio;
• al menos un sensor de temperatura "ST";
• al menos un sensor de humedad relativa "SH" que con untamente con el sensor de temperatura monitorizan unos parámetros energóticos/medioambientales ;
• una red de comunicación inalámbrica "RIS" compuesta por al menos dos nodos para la adquisición y procesamiento de señales electrónicas provenientes de sensores;
• un sistema informático conectado al sensor de temperatura, al sensor de humedad relativa y al sensor ultrasónico vía la red de comunicación inalámbrica;
tal que el sistema informático calcula una resistencia mecánica del material cementicio a partir de los parámetros elásticos y los parámetros energéticos/medioambientales monitorizados .
En otra realización de la invención el sistema inalámbrico adicionalmente comprende un sistema de acoplamiento "AS" del sensor ultrasónico, del sensor de temperatura y del sensor de humedad relativa al material cementicio .
Para cualquiera de las formas de realización anteriores, el sistema inalámbrico adicionalmente comprende una unidad de calibración que lleva a cabo un procedimiento de calibración para la determinación del estado del fraguado y endurecimiento "CEFE".
Los parámetros elásticos están comprendidos por una velocidad de propagación "V" y un coeficiente de reflexión "CR" y los parámetros energéticos/medioambientales están comprendidos por una temperatura "T" y una humedad "H".
El sistema informático comprende un nodo principal y al menos un nodo secundario tal que el nodo principal recoge todos los datos del nodo secundario y los envía al sistema informático para su almacenamiento y procesamiento.
El sistema informático comprende un microcontrolador por cada nodo comprendido en la red inalámbrica, donde el microcontrolador comprende medios de implementación del sensor ultrasónico, del sensor de temperatura y del sensor de humedad relativa. Los medios de implementación para el sensor ultrasónico adicionalmente comprenden:
• un módulo de potencia para proporcionar la suficiente energía como para soportar dos módulos de emisión-recepción ultrasónica de baja tensión; · un módulo de sincronización ultrasónica que sincroniza la emisión-recepción ultrasónica, incluso de manera inalámbrica entre diferentes nodos de la red;
• un sistema de contadores temporales por cada nodo para determinar el tiempo de vuelo de la señal ultrasónica con precisión mejor que las décimas de milisegundo .
Por otro lado, el procedimiento de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios para la predicción de resistencias mecánicas para el sistema definido en una cualquiera de las formas de realización anteriores, comprende los siguientes pasos:
• capturar unos datos de temperatura T y humedad H mediante el sensor de temperatura "ST" y generar un registro T/H;
• capturar una señal ultrasónica para la medida de velocidad de propagación V mediante el sensor ultrasónico "SUS" y generar un registro V;
• capturar una señal ultrasónica para la medida del coeficiente de reflexión CR mediante el sensor ultrasónico SUS y generar un registro CR;
• enviar todos los registros anteriores de las señales sensoriales al nodo principal;
• procesar las señales para obtener los parámetros velocidad V y coeficiente de reflexión CR.
• enviar los datos obtenidos al sistema informático;
• calcular la resistencia mecánica mínima RC(V,CR,T,H) del material cementicio mediante la expresión :
RC(V,CR,T,H) = min(Rc(V) ,RC(CR) , RC(T,H)) donde Rc (V) = a-exp(b-V), donde a y b son unos parámetros de ajuste; RC(CR)= a-exp(-b-CR) donde a y b son unos parámetros de ajuste; y donde Rc(T,H) = Rmax( (kT,h(t-to) / (1+ (kT,h(t-to) ) ) ) ) tal que Rmax es la resistencia final, kT,h es la constante de la reacción dependiente de T y h, y t0 el instante de comienzo de la hidratación.
La forma de calcular los parámetros anteriores se encuentra en detalle en el apartado de descripción de una forma de realización de la invención .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La figura 1 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención.
La figura 2 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención.
La figura 3 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención.
La figura 4 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención.
La figura 5 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención.
La figura 6 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención.
La figura 7 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención.
La figura 8 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención.
La figura 9 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención. La figura 10 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención.
La figura 11 muestra un dispositivo de forma cónica para acoplar los sensores de temperatura y humedad.
La figura 12 muestra una gráfica de la velocidad ultrasónica en m/s frente al tiempo en horas.
La figura 13 muestra una gráfica del coeficiente de reflexión CR frente al tiempo en horas.
La figura 14 muestra dos gráficas de la temperatura (°C) y la humedad (%) frente al tiempo en horas.
La figura 15 muestra una gráfica de la resistencia a la compresión (MPa) frente a la velocidad ultrasónica (m/s) .
La figura 16 muestra una gráfica de la resistencia a la compresión (MPa) frente al tiempo fraguado (horas) para calcular el ajuste de la resistencia a la compresión.
La figura 17 muestra una gráfica de la velocidad ultrasónica (m/s) frente al tiempo fraguado (horas) para calcular el ajuste de la velocidad.
La figura 18 muestra una gráfica para el cálculo del
CR a partir de la señal tomada con el dispositivo sensor de la figura 5, se obtiene un tipo de señal con ecos claros procedentes del rebote o reflexión con el MR; se realiza la transformada de Fourier de las señales de los ecos adecuadamente enventanados .
La figura 19 muestra una gráfica de la resistencia a la compresión (MPa) frente al coeficiente de reflexión.
La figura 20 muestra un diagrama de bloques donde la RIS está estructurada en una topología lineal.
La figura 21 muestra un diagrama de bloques donde la
RIS está estructurada en una topología en árbol. DESCRIPCIÓN DE UNA FORMA DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Con objeto de llegar a una mejor comprensión del objeto y funcionalidad de la presente invención, a continuación se detalla una forma de realización de la presente invención en referencia a las figuras, sin que ello suponga limitación alguna del alcance de la presente invención .
Aquí se presenta un sistema y metodología que permite medir el grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios. Para ello este sistema comprende sensores ultrasónicos (SUS) (1) y sensores de temperatura y humedad relativa (STH) (3,4) .
Mediante los sensores ultrasónicos se pueden medir los parámetros elásticos del material a medida que se produce el proceso de fraguado. Los parámetros analizados son la velocidad y el coeficiente de reflexión (en adelante CR) en una interfase con un material de referencia, en adelante (MR) . A través de las medidas de velocidad ultrasónica y del CR el sistema es capaz de predecir la resistencia a la compresión del material durante los procesos de fabricación, manipulación y corte. Estos sensores ultrasónicos van dispuestos de un mecanismo que permite acoplar los transductores al material que se desea monitorizar (FIG.l, 2, 3, 4 para la medida de la velocidad y FIG. 5 para el CR) .
Mediante los sensores de temperatura (ST) y humedad (SH) , se pueden medir tanto los parámetros medioambientales, que son esenciales en este proceso, así como el gradiente existente entre el medio ambiente y el interior del material y que afectan al proceso de fraguado- curado de los materiales cementicios. Para recoger los datos medidos por los diferentes sensores, el sistema consta de una red inalámbrica de motas o nodos compuesta por dos o más dispositivos (FIG. 6) que se comunican por radio (16) provistas de un microprocesador equipado con los diferentes sensores.
El sistema está especialmente indicado para su funcionamiento "in situ" por lo que puede ser usado para monitorizar los procesos de fraguado y endurecimiento del hormigón tanto en obra como en empresas de prefabricación .
En ambos casos uno de los objetivos del sistema es determinar el momento en el que el material ha alcanzado la resistencia suficiente, para ser manipulado en el caso de los prefabricados, o bien para proseguir la construcción en el caso de las obras. Otro objetivo también importante es asegurar la calidad y uniformidad del material a medida que se está fraguando. El cumplimento del primer objetivo va a redundar en la mejora de la rentabilidad del proceso y el segundo en un control de calidad de los materiales fabricados, con lo que se abrirá una linea de trabajo de desarrollo de normativa especifica con la adopción de esta invención, de interés para el sector de aplicación.
Por tanto, el problema técnico a resolver es monitorizar el proceso de fraguado de materiales cementicios ya sea "en obra" o en las empresas de prefabricados. Existe suficiente conocimiento científico, aunque todavía incompleto, para determinar el estado del material en este proceso mediante técnicas no destructivas, pero la principal problemática a resolver viene determinada por las duras y cambiantes condiciones a las que están expuestas estos materiales y donde tiene lugar la monitorización . En la fabricación de los materiales cementicios interviene agua, cemento, polvo, piedras, hierro, soldaduras, cortes, movimiento de pequeña y gran maquinaria, etc., además normalmente se realiza a la intemperie y una mayoría de las veces interviene personal con poca cualificación . Difícilmente se encontrará un ambiente donde las condiciones de operación sean tan duras y cambiantes. Aunque existen múltiples formas de fabricar este tipo de materiales se pueden distinguir dos procesos de fabricación con requerimientos diferentes, en obra y en empresas de prefabricado. En el primero, se buscan monitorizar grandes estructuras, con formas y condiciones muy diferentes, pero que una vez situados los sistemas de monitorización permanecen fijos hasta que acaba el proceso de fraguado. En las empresas de prefabricado las estructuras a monitorizar son generalmente de menor tamaño que en obra y con formas más limitadas, pero a menudo no se encuentran en un sitio fijo sino que se mueven y manipulan para optimizar el proceso de fabricación. En el primer caso todavía es posible utilizar sistemas de monitorización cableados, pero es en la práctica inviable utilizarlos en el segundo. Por ejemplo, para fabricar un tubo o marco de hormigón para grandes caudales, primero se vierte el material en fresco en una zona de la fábrica donde se encuentran las mezcladoras y los encofrados con su correspondiente sistemas de vibración. Una vez desmoldados se trasladan a una zona próxima y resguardada de la intemperie, aunque en ambiente no controlado donde permanecen durante al menos 24 horas, tiempo en principio suficiente para que alcancen la resistencia necesaria para ser manipulados con garantía. Pasado ese tiempo los marcos son transportados a otro lugar, normalmente a la intemperie donde permanecerán el tiempo suficiente hasta alcanzar la resistencia necesaria para su traslado e instalación en servicio. Sin embargo, en ocasiones, el hormigón no alcanza la resistencia esperada en cada una de las etapas, ya sea por defecto de fabricación o por un cambio en las condiciones medioambientales, y al mover o manipular los marcos se parten o agrietan. En el mejor de los casos estas deficiencias se detectan rápidamente, con lo que únicamente se pierde una parte de la producción y en el peor cuando ya se encuentra instalado y funcionando con lo que la pérdida puede llegar a ser considerable. Esta problemática se puede evitar con el sistema y procedimiento objeto de esta patente, pues la monitorización permite estudiar cuáles son las condiciones que hacen que esto ocurra y detectar este problema antes de mover los elementos prefabricados en cuestión. En el caso de las obras, el problema es equivalente, pues el sistema detecta cuando la estructura ha alcanzado la resistencia necesaria, pero como ya hemos comentado las condiciones de utilización no son las mismas.
El sistema está compuesto por tres tipos de sensores (SUS, ST, SH) , los sistemas de acoplamiento de los sensores al material (AS) , el procedimiento de calibración para la determinación del estado del fraguado y endurecimiento (CEFE) y por una red de comunicación inalámbrica compuesta por nodos que permiten adquirir y procesar señales electrónicas provenientes de sensores (RIS) .
1. Sensores :
a) Ultrasónicos: Adecuados a la transmisión de ondas ultrasónicas en el material cementicio, en principio las frecuencias válidas para este tipo de materiales se encuentran en el rango 40-500 kHz en el caso de medidas en transmisión para la medida de velocidad y en el rango de 400-1000 kHz para el caso de pulso/eco para la determinación del CR. Para la medida de la velocidad se utilizan transductores de ondas longitudinales y para el CR transductores de ondas transversales. No obstante, estos rangos dependerán del material analizado. El diámetro de los sensores puede ser también variable pero lo ideal es que estén entre 25 y 50 rom.
Para la medida del CR se utiliza un dispositivo formado por los transductores ultrasónicos y el MR. En el caso del hormigón, el dispositivo consiste en un cilindro de 8 cm de eje axial y 6 cm de diámetro con un corte de 3 mm de profundidad y 1 mm de espesor a modo de hendidura en la base superior. La base superior consta de dos planos inclinados con ángulos de 2o, en los cuáles se colocan los SUS, actuando uno de emisor y otro de receptor para recoger las reflexiones directas en la interfase entre el MR y el hormigón. En el caso de la medida del CR en pastas de cemento y morteros bastará con utilizar un SUS colocado en un cubo de MR de 3 cm de arista. b) Temperatura: El rango de temperaturas es el necesario para el medio ambiente entre -20°C y 70°C. Los sensores deberán ser de tamaño reducido y que se puedan acoplar a los microcontroladores de los nodos de las redes.
c) Humedad: Se necesitan sensores de medida de humedad relativa de tamaño reducido y que se puedan acoplar a los microcontroladores de los nodos de las redes. Acoplamiento : a) Sensores ultrasónicos: Se utilizan dos tipos de acoplamiento :
Acoplamiento seco directo (FIG.7) : Los transductores ultrasónicos (1) tienen una capa adaptadora (7) compuesta de silicona sólida con pequeñas protuberancias semiesféricas (8) de modo que permite un buen acoplamiento en superficies rugosas como las de hormigón. Además se requiere de un sistema mecánico que permite sujetar firmemente los transductores al hormigón con una presión constante. El sistema de sujeción varia según la forma de la estructura y la posición deseada del sensor ultrasónico. Para zonas con apoyo horizontal bastará con que el sistema de acoplamiento tenga un peso determinado para generar la presión deseada (5) . En zonas donde no sea posible tener un apoyo horizontal (FIG.l) la presión sobre los transductores (1) la ejercerá un muelle precargado (2) de tal manera que se ejerza la presión suficiente para obtener un correcto acoplamiento independientemente de la posible retracción del material. La presión ejercida deberá estar calibrada para que no deforme el material en el momento que se aplique. También es posible acoplar el sensor en las piezas de encofrado en vez de directamente en el material. En este caso solo será válido en las primeras horas del proceso ya que la retracción del material lo separará del encofrado del hormigón impidiendo que la señal ultrasónica llegue al material. Para elementos estructurales que se construyen en pista en continuo, como por ejemplo viguetas o placas alveolares, se puede usar un mecanismo fijado a la pista por cada lado y con los transductores a ambos lados de la pieza (FIG.2, FIG.8) . También se puede usar un sistema donde uno de los transductores usa la pista para transmitir/recibir la señal mientras el otro se encuentra en contacto con el material (FIG.3) . En este caso, los transductores son acoplados al material y a la pista usando un peso determinado para generar la presión deseada (5) . La energía emitida por el transductor (9) se transmitirá a la pista y esta energía será a su vez transmitida a través del material a caracterizar hasta el transductor receptor (10) (FIG.9) . Para probetas de hormigón se puede usar un sistema en forma de U con un tornillo en un lateral (6) con el que se ajustan los transductores al material (FIG.4) . Para el caso de CR se utilizará un acoplamiento directo que consiste en introducir ligeramente el dispositivo en el material cementicio inmediatamente después de su fabricación, habrá que garantizar que transcurra el menor tiempo posible entre la fabricación y la colocación del dispositivo.
- Acoplamiento húmedo (FIG.10) : Este tipo de acoplamiento se utilizará cuando se quiera utilizar la armadura de acero (11) de la estructura como sistema emisor. Para ello se utilizará un depósito de forma troncocónica (12) con un líquido viscoso, que no ataque a la armadura, y, produzca una inmersión local de la armadura y además actúe como guía de ondas de manera que la mayor parte de la energía emitida por el transductor (9) se transmita a la armadura. Esta energía se transmitirá a través del material a caracterizar hasta el transductor receptor (10) . Los nodos de la RIS, emisor (13) y receptor (14), deberán estar convenientemente sincronizados para que la señal emitida sea adecuadamente recibida y se pueda medir su tiempo de vuelo con precisión suficiente . b) Sensores de Temperatura y Humedad. Para acoplar los sensores de temperatura y humedad se utilizará un dispositivo de forma cónica (FIG.ll) que permita crear una pequeña cámara en el interior del material de manera que tenga prácticamente la misma humedad y temperatura del material pero que no tenga contacto directo con el sensor. De esta manera se pueden recuperar los sensores y evitamos que el agua presente en el material sature e inutilice el sensor de humedad. Esta pequeña cámara puede permanecer en la estructura ya que su pequeño tamaño no compromete su integridad (3) . El material del que está compuesta la cámara puede ser plástico o metálico y tendrá una o más cavidades selladas (15) con un tejido hidrófugo de manera que permita pasar la humedad pero no el agua. La profundidad a la que se introduce la cámara es variable dependiendo del grosor de la estructura pero en principio bastará con escasos centímetros (2 o 3) para obtener una buena referencia del proceso de fraguado. Para medir la temperatura y humedad ambiente se utilizará una cámara análoga (4) a la introducida en el material para que las medidas sean comparables.
3. Procedimiento de calibración para la determinación del estado del fraguado y endurecimiento (CEFE) .
El procedimiento de calibración de los sistemas objeto de esta patente se basará en una experimentación inicial donde se fabricarán varias probetas cúbicas para monitorizar y adquirir las curvas de variación de la velocidad ultrasónica (FIG.12), del CR (FIG.13) y de la temperatura y humedad del material y ambiental durante el proceso de fraguado (FIG.14) . A la vez que se monitoriza se realizarán ensayos de resistencia obteniendo por tanto una correlación entre las curvas de fraguado y las resistencias del hormigón (FIG.15) .
VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN (V)
No existe una fórmula general y única entre la velocidad de propagación y la resistencia a compresión de los materiales cementicios. Las diferentes expresiones empíricas que hay disponible en la literatura son válidas solo para el material a partir del cual se extrajeron. Otra forma de extraer esta relación es a partir de las reacciones de hidratación del cemento, una de las formulaciones más utilizadas es la desarrollada por Knudsen la cual describe el desarrollo de la hidratación con el tiempo mediante una relación exponencial.
El procedimiento de calibración considerado en este sistema relacionará la velocidad y la resistencia para un material determinado usando diferentes versiones de la ecuación de Knudsen para el ajuste inicial de la resistencia y de la velocidad. Primero se mide la velocidad ultrasónica y la resistencia durante el tiempo de puesta en servicio (Ts), tiempo necesario para que el material tenga la resistencia suficiente para que pueda ponerse en obra. Una vez obtenidos estos datos, se ajusta la resistencia con la siguiente fórmula:
Figure imgf000022_0001
con los datos recogidos hasta el tiempo Ts (FIG.16) y donde a, b y c son parámetros de ajuste. Después se ajusta la velocidad con la siguiente fórmula: b - t2
V(t) = f c (2)
a + t2 + t con los datos recogidos hasta el tiempo de manipulación (Tm) , tiempo necesario para que el material haya alcanzado una resistencia suficiente para que se pueda desencofrar, destensar las armaduras, cortar, trasladar, etc. (FIG.17) . Finalmente se despeja el tiempo en función de la velocidad y se calcula la resistencia en función de la velocidad (FIG.15) . Asi obtenemos la relación entre resistencia y velocidad .
Rc(V) = a - e b-V
(3)
COEFICIENTE DE REFLEXION (CR)
El parámetro CR precisa de una calibración previa del dispositivo sensor al aire, considerando el aire como reflector ultrasónico perfecto y estable se obtiene el valor de CRo o de referencia, que habrá que corregir en la medida de monitorización real sobre el material. Este valor será muy próximo a 1. Para el cálculo del CR a partir de la señal tomada con el dispositivo sensor de FIG.5, se obtiene un tipo de señal con ecos claros procedentes del rebote o reflexión con el MR; se realiza la transformada de Fourier de las señales de los ecos adecuadamente enventanados , FIG.18, según la ecuación:
Figure imgf000023_0001
La ecuación que describe la variación del CR en función del tiempo t muestra un ajuste exponencial decreciente descrito a partir de la siguiente ecuación: CR{t) = a - e~h t + c - e~d t ( 5 )
Donde a, b, c y d son parámetros de ajuste (FIG.13) .
El cálculo se realizará para la primera y segunda reflexión y entre la segunda y tercera reflexión, tomando, finalmente, la curva que mejor coeficiente de regresión muestra. A partir de dicha curva de ajuste se obtiene una relación final entre la resistencia y el CR de tipo exponencial decreciente
RC(CR) = a■ e b CR ( 6 ) donde a y b son parámetros de ajuste (FIG.19) .
TEMPERATURA Y HUMEDAD (T/H)
La monitorización de la temperatura y la humedad permiten determinar cuando ha finalizado el proceso de fraguado y empieza el de endurecimiento y predecir la resistencia, mediante el método de maduración, Carino y Liao. La ganancia de resistencia es un efecto combinado del tiempo, la temperatura y la humedad. Además, las curvas de humedad permiten determinar si el fraguado se está realizando con una cantidad de agua suficiente para que adquiera las propiedades de resistencia en el tiempo necesario.
Para obtener las curvas R(t) es necesario:
• Tres temperaturas diferentes, utilizando una de ellas como temperatura de referencia, la cual será de 20°C. (Tr=20°C) .
• Para cada temperatura se deberá obtener dicha curva R(t) para 3 condiciones de humedad distintas, tomando como humedad de referencia el 100% de humedad relativa. (hr=100) .
El comportamiento de la resistencia en función del tiempo viene dado por la siguiente ecuación:
Figure imgf000025_0001
Donde, Rmax es la resistencia final, kT,H es la constante de la reacción dependiente de T y h y to es el instante en el que comienza la hidratación. Además debe realizarse el siguiente ajuste, para obtener los valores de h0 y Ju:
Figure imgf000025_0002
Donde, Ju es el factor de humedad final, kH es la constante de la reacción dependiente de h y ho es la humedad inicial. DETERMINACIÓN DEL ESTADO DEL PROCESO FRAGUADO Y PREDICIÓN DE PROPIEDADES FINALES.
Una vez realizado los ensayos de calibración se obtienen 3 funciones que permiten determinar la resistencia mecánica del material a partir de la monitorización en las primeras horas del proceso. Dos de ellas (V y CR) son función de los parámetros elásticos del material y la otra (T/H) en función de parámetros energéticos y medioambientales del proceso. La determinación final de la resistencia a partir de las resistencias obtenidas con estos parámetros se determinará por las siguientes funciones, dependiendo de la necesidad de cada aplicación: Rc (Ϊ7, CR, Γ, Η) = min(R, (Κ), Rc (CR), Rc (T, H))
La función (9) permitirá garantizar la resistencia mínima que tendrá el material.
Mientras que la función (10) pondera linealmente los resultados de los parámetros medidos dependiendo de la calidad de los mismos
Rc (V, CR, T, H) = xv ■ Rc (V) + xCR ■ Rc (CR) + xTH ■ Rc (T , H) { 1 0 ) siendo xv , XCR Y XTH los coeficientes de ponderación que por una parte deben cumplir que 1 = xv + xCR + xTH ; y por otra deben ser inversamente proporcionales al error cuadrático medio de las diferentes funciones en el intervalo de tiempo considerado.
Para la predicción de propiedades finales se utilizarán las funciones anteriores pero los coeficientes de ponderación podrán cambiar si el error de las diferentes funciones cambia a tiempos más largos. . Procedimiento de Medida mediante la Red Inalámbrica de Sensores (RIS) :
La RIS, debe permitir incorporar tanto el "hardware" como el software para tres tipos de sensores (FIG.6) : sensores ultrasónicos (SUS) (17) adecuados para la inspección de hormigón, sensores de temperatura (ST) y sensores de humedad (SH) (18) . La RIS debe permitir al menos estructurarla en una topología lineal (FIG.20), y preferiblemente en árbol (FIG.21) . En todas las redes existe un nodo principal (19), que recoge todos los datos de los nodos secundarios (20) y lo envía a un sistema informático (21) para su almacenamiento y procesamiento. Dado que el proceso de fraguado es un proceso relativamente lento, la adquisición de las señales sensoriales debe permitir una frecuencia de toma de datos de al menos 1 toma por cada 2 minutos.
Cada nodo de la red inalámbrica está formado por un microcontrolador que debe tener disponibles los recursos necesarios para poder implementar el procesamiento de señal necesario para los diferentes sensores incorporados. Actualmente casi todas las redes comerciales de sensores tienen la posibilidad de incorporar sensores de humedad y temperatura. Sin embargo la posibilidad de incorporar sensores ultrasónicos aptos para la inspección de hormigón requiere de una serie de características especiales:
a) Proporcionar la suficiente energía para soportar dos módulos de emisión-recepción ultrasónica de baja tensión .
b) Que se pueda sincronizar la emisión-recepción ultrasónica, incluso de manera inalámbrica entre diferentes nodos de la red.
c) Que cada nodo tenga un sistema de contadores temporales para determinar el tiempo de vuelo de la señal ultrasónica con precisión mejor que las décimas de milisegundo.
El procedimiento de Medida con la RIS se describe a continuación :
1. Captura de datos de temperatura y humedad.
2. Captura de señal ultrasónica para la medida de velocidad de propagación.
3. Captura de señal ultrasónica para la medida de CR. 4. Envío de los registros de las señales sensoriales al nodo principal .
5. Procesamiento de señales para obtención de los parámetros velocidad y CR.
6. Envío de los datos obtenidos al sistema informático.
7. Aplicación de la metodología de análisis descrita en el apartado anterior para la medida de propiedades mecánicas .
8. Aplicación de la metodología de análisis para la predicción de resistencias mecánicas finales.
El sistema está compuesto por una red de comunicación inalámbrica compuesta por 5 nodos sensorizados y un nodo conectado a un ordenador portátil (nodo base) . Éste último se encarga de recoger todos los datos de la red. El sistema se usa para monitorizar los procesos de fraguado y endurecimiento de varios elementos de hormigón, siendo necesario un nodo por cada punto de medida a monitorizar. 1 . Sensores :
a. Ultrasónicos:
i. Para la medida de Velocidad de Propagación: cada 2 minutos se calcula la mediana de la velocidad de transmisión a través del material de 5 pulsos consecutivos de 40 kHz con una ganancia de recepción de 70 dB . Para ello cada nodo usa 2 transductores de la marca Proceq, uno de emisión y otro de recepción, de frecuencia central de 54 kHz. El diámetro de los sensores es de 50 rom.
ii. Para la medida del CR: cada 2 minutos se realiza un promediado de 3 señales adquiridas que elimina posible ruido, con una frecuencia central de inspección de 500 kHz . La tensión de ataque será pequeña, de unos 5V para transductores de banda estrecha/ancha indistintamente, como los utilizados de la marca Panametrics V151 con un diámetro de 2,54 cm y con una ganancia de 40 dB.
b. Temperatura: Cada 2 minutos se mide la temperatura en el interior del material usando 2 sensores SHT75 (Sensirion) y la temperatura ambiente.
c. Humedad: Cada 2 minutos se mide la humedad en el interior del material usando 2 sensores SHT75 (Sensirion) y la humedad ambiente. 2. Acoplamiento: a) Sensores ultrasónicos.
Se usa un acoplamiento seco directo: Los transductores ultrasónicos tienen una capa adaptadora compuesta de silicona sólida con pequeñas protuberancias semiesféricas de 50 mm de diámetro. Con unas mordazas de dimensiones 530 x 530 mm compuestas de un muelle precargado se sujetan firmemente los transductores a la estructura marco de hormigón, con una presión constante (FIG.l) . Se usa acoplamiento directo al material para el caso de la medida CR (FIG.5) . b) Sensores de Temperatura y Humedad.
Para acoplar los sensores de temperatura en el interior del material se utiliza un dispositivo de forma cónica de plástico de medidas 50 x 10 mm (FIG.ll) de manera que tenga prácticamente la misma humedad y temperatura del material pero que no tenga contacto directo. Este dispositivo se introduce unos 30 mm en el hormigón recién fabricado. Cada sensor se conecta con un cable hasta el nodo inalámbrico. Para medir la temperatura y humedad ambiente se utiliza una cámara análoga a la introducida en el material para que las medidas sean comparables.
3. Procedimiento de calibración para la determinación del estado del fraguado y endurecimiento (CEFE) .
El nodo base se encarga de recoger todas las medidas de velocidad ultrasónica, CR, temperatura y humedad tomadas por los diferentes nodos que componen la red. Este nodo se conecta al ordenador, por el puerto serie, donde se almacenan en un fichero. Después se analizan y se construyen las curvas de variación de la velocidad ultrasónica y del diferencial entre la temperatura y humedad del material y la temperatura y humedad ambiental a medida que se produce el proceso de fraguado.
Para relacionar la resistencia con la velocidad y el CR se ha procedido de la siguiente manera. Primero se han fabricado probetas de hormigón de 15 x 15 x 15 cm, las cuales se han monitorizado durante 120 horas (=Ts) con sensores ultrasónicos, de temperatura y humedad y además se ha medido la resistencia a compresión a 4, 8, 12, 16, 20, 24, 30, 50.5 y 119 horas.
Se ha ajustado la resistencia y la velocidad usando las ecuaciones (1) y (2) respectivamente y considerando los datos de las 120 horas en el caso de la resistencia y de las primeras 24 horas (=Tm) en el caso de la velocidad. A partir de estos datos se ha obtenido la relación entre la velocidad y la resistencia usando la ecuación (3) y el error cometido.
A partir de las señales tomadas con el dispositivo sensor, FIG.5, se calculo el CR según ecuación (4) . Se ha ajustado el CR usando la ecuación (5) y considerando los datos hasta 48 horas ya que, posteriormente, el parámetro CR varia más lentamente. A partir de estos datos se ha obtenido la relación entre el CR y la resistencia usando la ecuación ( 6 ) .
Para la calibración de la temperatura y la humedad se han utilizado 3 temperaturas, 12°C, 20°C y 40°C, y 3 humedades relativas, 100%, 60% y 40%, y unos tiempos de rotura para la resistencia a compresión de 24h, 48h, 7 días y 28 días. Se ha ajustado la resistencia usando las ecuaciones 7 y 8. . Procedimiento de medida mediante la Red Inalámbrica de Sensores (RIS) :
Cada nodo de la red inalámbrica tiene unas dimensiones de 100 x 20 x 40 mm y está compuesto por un microcontrolador Atmegal28, un chip de radio CC1000 a 433 MHz de frecuencia, un sensor ultrasónico de emisión y otro de recepción, un puerto serie y 1 conector de 51 pines . Una tarjeta de adquisición de datos es usada con cada nodo para conectar los sensores de temperatura y humedad. Para obtener un mayor rango de cobertura, cada nodo dispone de una antena de dimensiones 143 x 10 mm. Estos dispositivos funcionan con 2 baterías AA. Para proteger los nodos que componen la red se encapsulan en cajas de dimensiones 120 x 40 x 60 mm La adquisición de las señales sensoriales se realiza cada 2 minutos. Cada nodo actuará como emisor y receptor del pulso ultrasónico a través del material.
Se coloca un nodo en cada marco de hormigón monitorizado y el nodo base tiene que estar dentro del rango de cobertura de al menos 1 de los nodos. Usando una topología de árbol, FIG.21, la información de cada nodo es recibida por la base.
DETERMINACIÓN DEL ESTADO DEL PROCESO FRAGUADO Y PREDICIÓN DE PROPIEDADES FINALES
Para la determinación del estado de proceso de fraguado se utilizarán las funciones 9 o 10. En el caso de la monitorización de los marcos de hormigón se utilizo la función 9 para determinar la resistencia mínima para mover el marco de la zona de fabricación a la zona de almacenaje.

Claims

RE IVI DICACIONES
1. - Sistema inalámbrico de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios para la predicción de resistencias mecánicas que comprende:
• al menos un sensor ultrasónico "SUS" para monitorizar unos parámetros elásticos de un material cementicio;
• al menos un sensor de temperatura "ST";
• al menos un sensor de humedad relativa "SH" que con untamente con el sensor de temperatura monitorizan unos parámetros energóticos/medioambientales ;
• una red de comunicación inalámbrica "RIS" compuesta por al menos dos nodos para la adquisición y procesamiento de señales electrónicas provenientes de sensores;
• un sistema informático (21) conectado al sensor de temperatura, al sensor de humedad relativa y al sensor ultrasónico vía la red de comunicación inalámbrica;
tal que el sistema informático (21) calcula una resistencia mecánica del material cementicio a partir de los parámetros elásticos y los parámetros energéticos/medioambientales monitorizados .
2. - Sistema inalámbrico según la reivindicación 1, caracterizado porque adicionalmente comprende un sistema de acoplamiento "AS" del sensor ultrasónico, del sensor de temperatura y del sensor de humedad relativa al material cementicio .
3.- Sistema inalámbrico según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque adicionalmente comprende una unidad de calibración que lleva a cabo un procedimiento de calibración para la determinación del estado del fraguado y endurecimiento "CEFE".
4.- Sistema inalámbrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los parámetros elásticos están comprendidos por una velocidad de propagación "V" y un coeficiente de reflexión "CR" y porque los parámetros energéticos/medioambientales están comprendidos por una temperatura "T" y una humedad "H".
5.- Sistema inalámbrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sistema informático (21) comprende un nodo principal (19) y al menos un nodo secundario (20) tal que el nodo principal (19) recoge todos los datos del nodo secundario y los envía al sistema informático (21) para su almacenamiento y procesamiento .
6.- Sistema inalámbrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sistema informático (21) comprende un microcontrolador por cada nodo comprendido en la red inalámbrica, donde el microcontrolador comprende medios de implementación del sensor ultrasónico, del sensor de temperatura y del sensor de humedad relativa.
7. - Sistema inalámbrico según la reivindicación 6, caracterizado porque los medios de implementación para el sensor ultrasónico adicionalmente comprenden:
• un módulo de potencia para proporcionar la suficiente energía como para soportar dos módulos de emisión-recepción ultrasónica de baja tensión;
• un módulo de sincronización ultrasónica que sincroniza la emisión-recepción ultrasónica, incluso de manera inalámbrica entre diferentes nodos de la red;
• un sistema de contadores temporales por cada nodo para determinar el tiempo de vuelo de la señal ultrasónica con precisión mejor que las décimas de milisegundo .
8. - Procedimiento de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios para la predicción de resistencias mecánicas para el sistema definido en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque comprende los siguientes pasos:
• capturar unos datos de temperatura T y humedad H mediante el sensor de temperatura "ST" y generar un registro T/H;
• capturar una señal ultrasónica para la medida de velocidad de propagación V mediante el sensor ultrasónico "SUS" y generar un registro V;
• capturar una señal ultrasónica para la medida del coeficiente de reflexión CR mediante el sensor ultrasónico SUS y generar un registro CR; · enviar todos los registros anteriores de las señales sensoriales al nodo principal; • procesar las señales para obtener los parámetros velocidad V y coeficiente de reflexión CR.
• enviar los datos obtenidos al sistema informático;
• calcular la resistencia mecánica mínima RC(V,CR,T,H) del material cementicio mediante la expresión :
RC(V,CR,T,H) = min(Rc(V) ,RC(CR) , RC(T,H)) donde Rc (V) = a-exp(b-V), donde a y b son unos parámetros de ajuste; RC(CR)= a-exp(-b-CR) donde a y b son unos parámetros de ajuste; y donde Rc(T,H) = Rmax( (kT,h (t-to) / (1+ (kT,h (t-to) ))) ) tal que Rmax es la resistencia final, kT,h es la constante de la reacción dependiente de T y h, y t0 el instante de comienzo de la hidratación.
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