WO2014147269A1 - Dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto - Google Patents

Dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto Download PDF

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José Manuel ARENAS REINA
Cristina ALIA GRACIA
Paz Pinilla Cea
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Universidad Politecnica de Madrid
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    • G01N2203/0236—Other environments

Definitions

  • the present invention falls within the field of materials science and more specifically refers to a heated device for fracture testing in mixed mode.
  • both the loose parts and their joints are subject to very different solicitations being usual that the load is a combination of mode I (stripped) and mode II (shear) called mixed mode load (mode III).
  • mode III mixed mode load
  • the MCB specimen has semi-infinite geometry symmetry and allows a combination of basic loading systems at the end of the specimen. It provides good flexibility, variety and stability to determine the characteristic parameters of fracture tests.
  • HA Richard uses a circular tooling consisting of two sets of parts that serve as jaws and allow the specimen to be attached to the test machine. On the outside of the jaws a series of holes are placed at different angles with respect to the position of the specimen with the pre-crack, which allow, by means of the different position of a pin, the fixing to the machine of test and a progressive variation of the loading mode of the specimen, from pure mode I to pure mode II, through several intermediate modes.
  • Hógberg uses a tool very similar to that used for the Arcan-Richard specimens but adapted to the MCB specimens.
  • This tooling also consists of two jaws with holes made on the outside located at different angles with respect to the plane of the adhesive layer. It is also fixed by means of pins to the testing machine.
  • all the tools described above have the great disadvantage of their high weight, which makes their placement complex and ultimately impractical.
  • the Kappa SS model is equipped with a simple central spindle and is suitable for both creep tests and advanced tests that require greater precision of load control. Its main components are a load frame with simple spindle drive, a load range, displacement measurement and digital control.
  • the Kappa DS model is similar to the Kappa SS model but with a double spindle. To these creep machines you can add accessories that extend their applications such as ovens and temperature chambers. Feng et al. (“Modeling of long-termcreep behavior of structural epoxy adhesives"; International Journal of Adhesion and Adhesives; 2005; vol. 25: 427-436) designed an appropriate machine for slow creep testing on aluminum / epoxy adhesive joints. The machine consists, among other elements, of a pneumatic cylinder and a heater with temperature controller.
  • the present invention relates to an air-conditioned device for mixed mode fracture tests.
  • the device object of the present invention has the particularity that it comprises:
  • An airtight chamber comprising test means a multimodal tool for holding the test specimen and sensing means for the temperature and relative humidity conditions inside the airtight chamber.
  • An air handling unit located next to the hermetic chamber and connected thereto by means of individual air inlets and outlets, wherein said air handling unit comprises a plurality of sections located in series, each of which has different air conditioning means configured to modify the temperature and relative humidity conditions of the air flow that passes through them until reaching predetermined values.
  • Electronic means for controlling the device configured to perform the regulation and stabilization of the temperature and relative humidity inside the hermetic chamber by controlling the sections of the air handling unit; carry out the actuation of the test means and; carry out the acquisition and registration of the test data from the sensor means.
  • the device will allow to perform fracture tests in mixed mode with a multimodal tool and under the specified conditions of temperature and relative humidity required for each particular piece.
  • the test means of the sealed chamber may comprise: a pneumatic piston located above the sealed chamber; a probe associated with the pneumatic piston; a spring connected to the pneumatic piston, located inside the hermetic chamber; a caliper extensometer that measures spring displacements; and a comparator clock to introduce the load to which the test is to be performed.
  • the pneumatic piston will be a double-acting piston, which applies the load necessary to perform the test.
  • the spring and the extensometer are used as a load cell allowing to measure the applied force and the relaxation that takes place throughout the test time, the clamp extensometer will provide great sensitivity and precision.
  • the multimodal tool may comprise an upper part that is fixed to the spring and a lower part that is fixed to the base of the hermetic chamber and on which the test specimen is supported. Furthermore, said multimodal tool may have a geometric design configured to allow varying the test positions of the specimen to 0 or , 15 °, 30 °, 45 °, 60 °, 75 ° and 90 °.
  • the tool has an innovative design that allows the test positions of the test specimen mentioned.
  • the form of anchoring of the test-tool is simplified by reducing from four holes to just two, which facilitates and simplifies the placement of the test piece to be tested and, above all, the realization of the test pieces, reducing the preparation time and the probability of prior breakage of them due to the accumulation of tensions when drilling.
  • the sensor means may comprise a thermo-hygrometer for displaying the temperature and relative humidity inside the hermetic chamber, and temperature and relative humidity probes configured to collect data from these two variables and transmit them. to the electronic control means.
  • the hermetic chamber may comprise a transparent outer housing, to which it has a hermetic closing door.
  • the said housing is transparent, it will allow the visualization of the test and, if necessary, the external measurement of the parameters (for example by means of optical interferometry).
  • the hermetic closing door keeps the temperature and relative humidity inside the hermetic chamber constant throughout the test.
  • the air handling unit may comprise:
  • a second section comprising a series of variable electric resistors in the form of a grill.
  • a third section comprising a cold battery composed of a plurality of inlet and outlet manifolds of a refrigerant fluid, distribution tubes of the three-legged fluid, a panel with fins and a metal frame that supports the assembly.
  • a fourth section comprising a coarse gravimetric filter supported by an aluminum structure.
  • a fifth section comprising a humidification zone comprising micro-sprayers, a discharge pump, a water collection vessel, inlet valves, drain valves and safety valves by means of a float.
  • a sixth section comprising a water droplet separator of the air flow by means of plastic slats arranged aerodynamically.
  • a seventh section comprising a centrifugal fan that drives the air towards the outlet through a duct.
  • the air handling unit may be covered with sandwich panels constituted from two outer metal sheets and an intermediate central layer of an insulated foam material.
  • the aforementioned panels have the fundamental function of serving as insulating elements to maintain at all times the temperature and humidity inside the air handling unit.
  • Figure 1 shows a schematic elevation view of the air-conditioned device for fracture tests in mixed mode object of the present invention.
  • Figure 2 shows an enlarged schematic view of the multimodal tool that is part of the air-conditioned device for fracture testing in mixed mode object of the present invention.
  • Figure 3 shows an enlarged schematic view of the third section of the air handling unit that is part of the air-conditioned device for mixed mode fracture tests object of the present invention.
  • Figure 4 shows an enlarged schematic view of the fourth section of the air handling unit that is part of the heated device for fracture testing in mixed mode object of the present invention.
  • Figure 5 shows an enlarged schematic view of the fifth section of the air handling unit that is part of the heated device for fracture testing in mixed mode object of the present invention.
  • Figure 6 shows a schematic elevation view on a larger scale of the sixth section of the air handling unit that is part of the heated device for fracture testing in mixed mode object of the present invention.
  • the air-conditioned device for fracture tests in mixed mode object of the present invention is constituted, first of all, by a hermetic chamber (1) inside which test means (2 , 3, 4, 5, 11), a multimodal tool (8) for holding the specimen (10) to be tested and sensor means (6, 7) of the temperature and relative humidity conditions inside the hermetic chamber ( one).
  • the hermetic chamber (1) consists of an aluminum profile structure covered laterally with transparent methacrylate and stainless steel upper and lower base. Its exterior dimensions are 500x500x700 mm and it has a hermetic closing door.
  • a double-acting pneumatic piston (2) is applied to the upper part of the hermetic chamber (1) which applies the load is Double acting (DIN ISO 15552) with the following characteristics: 32 mm diameter, 125 mm travel, pressure range from 1 to 10 bar and working temperature from -20 ° C to 80 ° C, to which a corresponding probe (3).
  • a spring (4) siniffness 40 N / mm
  • a clamp extensometer (5) that measures the displacements of the spring (4), sending the measurement of said displacements to the control system.
  • the characteristics of the extensometer (5) are: excitation voltage 5 to 10 V, output voltage 2 to 4 mV with a linearity of 0.15% for measuring ranges less than 6 mm and 0.2% for measuring ranges larger and its working temperature range is from -40 ° C to 100 ° C.
  • the test means are completed with a comparator clock (11) (range 12.7 mm, accuracy 0.001 mm and contact point for the measurement of M 2.5 x 0.45), which is used to measure the load at The test is going to be done.
  • thermo-hygrometer (6) The temperature and relative humidity of the chamber is visualized by means of a thermo-hygrometer (6) and also in the hermetic chamber, temperature and relative humidity probes (7) will be available for connection to a computer, with a temperature range of -20 ° C at + 60 ° C with a resolution of 0.1 ° C and with a humidity measurement of 25% to 95% with a resolution of 1%. Said probes (7) transmit the collected data to the regulation and control system for signal processing.
  • the multimodal tool (8) has a reduced weight and its machining is carried out in a CNC milling machine in a 5 mm thick brass piece, therefore being very precise thanks to the use of brass instead of steel for its manufacture stainless.
  • Said multimodal tool (8) has an upper part (22) that is fixed to the spring (4) by means of a screw and the lower part (9) of the tool is fixed to the base of the chamber (1) also by means of a screw.
  • the tool (8) incorporates two drills for anchoring the specimen (10) and several drills specifically distributed on the two pieces (9) and (22) of the tool to be able to perform tests in mode I, mode II and five intermediate cases of mixed mode (0 or , 15 °, 30 °, 45 °, 60 °, 75 ° and 90 °). Attached to the multimodal tool (8), the test tube (10) to be tested for fracture is placed.
  • the device is constituted by an air handling unit (UTA) (12) which is constituted by riveted aluminum profiles, which will be used in this case for its lightness, and, in addition, it is covered by several panels screwed sandwich (23), each consisting of two outer metal sheets (thickness 1 mm) and an intermediate central layer (thickness 20 mm) of an insulated foam material.
  • the panels are joined to the structure by riveting except those corresponding to the functional sections that are screwed to facilitate maintenance access.
  • the air handling unit (UTA) (12) is constructed from a plurality of sections, specifically seven sections arranged in series one after the other.
  • the second section (14) consists of a series of variable electrical resistors (24) in the form of a grill, with a nominal power of 1000 W, 4 A of intensity to provide a surface temperature between 20 ° C and 100 ° C.
  • This electrical resistance is housed in a structural frame of riveted aluminum profile that allows easy assembly and disassembly of the unit.
  • the main mission of this second section (14) is to heat the air when necessary.
  • the third section (15), represented in Figure 3, is a cold battery consisting of copper collectors (30) for entering and exiting the cooling fluid (water with glycol), distribution tubes (25) for the fluid, also of copper, arranged to the tresbolillo, a panel with aluminum fins (31) that facilitates the transmission of the cold to the air and a structural frame (32) with aluminum profile that supports the whole.
  • the main mission of this third section (15) is to cool the air when necessary. Through a three-way inlet valve, the fluid inlet flow to this section is regulated, which is fed by a chiller (commercial compressor 200 w, 240 V, 50 Hz that provides temperatures from - 10 ° C).
  • the fourth section (16), represented in Figure 4, is composed of a rough gravimetric filter (26) made of cardboard or the like supported by an aluminum structure
  • the fifth section (17), represented in Figure 5, constitutes the humidification zone and comprises micro-sprayers (34) (40 liters / hour), to spray water on the air passing through this section and therefore increasing its relative humidity, a drive pump (35) to bring water to the micro-sprayers
  • the sixth section (18), represented in Figure 6, comprises a water droplet separator (27) that carries the air flow, said separation being made by slats (40) arranged aerodynamically to reduce the loss of load.
  • centrifugal fan (28) that drives the air towards the air outlet (20) which goes to the hermetic chamber (1) through a flexible duct.
  • the centrifugal fan (28) has the following characteristics: nominal power 100 W, voltage 240 V, frequency 50 Hz and adjustable flow up to 300 m3 / h.
  • air inlet (21) that conducts the air to the inlet of the air handling unit (12) through a duct.
  • the air inlet and outlet ducts are composed of a 40-micrometer two-layer core (aluminum / polyester), reinforced by galvanized steel rings.
  • Both the air outlet (20) and the air inlet (21) have gates, which have a motorized drive, are made of aluminum and are provided with slats with opening in opposition, in order to vary the flow of incoming and outgoing air of the air handling unit (12) as necessary in each case.
  • the device is completed in third place with electronic means of control of the device configured to, first, perform the regulation and stabilization of the temperature and relative humidity inside the hermetic chamber (1) by controlling the sections (13 , 14, 15, 16, 17, 18, 19) of the air handling unit (12), secondly, to drive the test means (2, 3, 4, 5, 11) and, in third, to acquire and record the test data from the sensor means (6, 7).
  • the regulation of the temperature and relative humidity of the hermetic chamber (1) is carried out by means of an automated control that, depending on the data collected in the temperature and humidity probes (7) of the hermetic chamber (1), performs the opening or gradual closing of the air inlet (21) and air outlet (20) of the air conditioning unit (12), regulates the air flow, modifies the voltage the electric resistors (24), the flow of the pump (35) for humidification, and ultimately acts on the different components of the different sections of the air handling unit (12) to provide the air flow through the inside of it the necessary temperature and humidity conditions in each specific case.

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Abstract

Dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto que comprende una cámara hermética (1) con medios de ensayo (2, 3, 4, 5, 11), un útil multimodal (8) de sujeción de la probeta (10) a ensayar y medios sensores (6, 7) de las condiciones de temperatura y humedad relativa en el interior de la cámara hermética (1); una unidad de tratamiento de aire (12) conectada a la cámara mediante sendas entradas y salidas de aire (20, 21). La unidad de tratamiento de aire comprende una pluralidad de secciones (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) situadas en serie, cada una de las cuales dispone de distintos medios de climatización configurados para modificar las condiciones de temperatura y humedad relativa del flujo de aire que pasa a través de las mismas hasta alcanzar unos valores predeterminados, y medios electrónicos de control de los componentes del dispositivo.

Description

DISPOSITIVO CLIMATIZADO PARA ENSAYOS DE FRACTURA EN MODO MIXTO.
DESCRIPCION
Campo de la invención
La presente invención se engloba dentro del campo de la ciencia de materiales y más concretamente se refiere a un dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto.
Antecedentes de la invención
En toda aplicación industrial, tanto las piezas sueltas como sus uniones (mediante adhesivos, soldadura, etc.) están sometidas a solicitaciones muy diversas siendo habitual que la carga sea una combinación del modo I (pelado) y modo II (cortante) denominado modo mixto de carga (modo III). Este modo mixto de carga permite caracterizar adecuadamente el comportamiento real de las piezas y uniones en condiciones de servicio cuando se realizan ensayos de fractura.
Para realizar estos ensayos se requieren probetas con una configuración específica que permitan evaluar sus propiedades a fractura. Existen numerosas probetas desarrolladas para evaluar las propiedades a fractura en estos casos. Entre ellas, cabe destacar la propuesta por M. Arcan y H.A. Richard ("Theoretical and experimental study of superimposed fracture modes I, II and III", Engineering Fracture Mechanics; 1990; vol. 35 (6):949-960) y la MCB propuesta por J.L. Hógberg y U. Stigh ("Specimen proposals for mixed mode testing of adhesive layer", Engineering Fracture Mechanics; 2006; vol. 73: 2541-2556).
La probeta MCB tiene simetría geometría semi-infinita y permite una combinación de sistemas básicos de carga en el extremo de la probeta. Proporciona una buena flexibilidad, variedad y estabilidad para determinar los parámetros característicos de los ensayos de fractura.
La realización de ensayos de fractura en modo mixto con este tipo de probeta requiere útiles especiales. Así, por ejemplo, para evaluar las propiedades en modo mixto de las probetas, H.A. Richard emplea un utillaje circular formado por dos juegos de piezas que sirven de mordazas y permiten sujetar la probeta a la máquina de ensayo. En la parte exterior de las mordazas se sitúan una serie de agujeros situados según distintos ángulos respecto de la posición de la probeta con la pre-grieta, que permiten, mediante la diferente posición de un pasador, la fijación a la máquina de ensayo y una variación progresiva del modo de carga de la probeta, desde modo I puro hasta modo II puro, pasando por varios modos intermedios. Hógberg utiliza un utillaje muy parecido al empleado para las probetas de Arcan-Richard pero adaptado a las probetas MCB. Este utillaje también consiste en dos mordazas con agujeros realizados en la parte exterior situados a diferentes ángulos respecto del plano de la capa de adhesivo. También se fija mediante unos pasadores a la máquina de ensayos. Sin embargo, todos los útiles descritos anteriormente tienen la gran desventaja de su elevado peso, el cual hace que su colocación sea compleja y en definitiva poco práctica.
Uno de los ensayos más adecuados para caracterizar el comportamiento en servicio de materiales es el ensayo de fluencia. En el mercado existen numerosos equipos que permiten realizar ensayos de fluencia aunque con precios muy elevados. Yanming Zhang (patente CN 102519800) propone un modelo caracterizado, entre otros aspectos, por mantener la temperatura estable en la zona del ensayo de fluencia. Yingqun Su (patente CN202150060) propone un sistema para ensayos de fluencia en condiciones de alta temperatura. La empresa Zwick/Roell® fabrica varios tipos de maquinas de fluencia apropiadas para este propósito (http://www.zwick.es/es.html 3). Los modelos más conocidos son: Kappa SS de huso central simple y Kappa DS de huso doble. El modelo Kappa SS se encuentra dotado de un huso central simple y es adecuada para la realización tanto de ensayos de fluencia como ensayos avanzados que requieren mayor precisión del control de carga. Sus principales componentes son un bastidor de carga con accionamiento por huso simple, un rango de carga, medida del desplazamiento y control digital. El modelo Kappa DS es similar al modelo Kappa SS pero con un huso doble. A estas maquinas de fluencia se les puede añadir accesorios que amplían sus aplicaciones como hornos y cámaras de temperatura. Feng et al. ("Modeling of long-termcreep behavior of structural epoxy adhesives"; International Journal of Adhesión and Adhesives; 2005; vol. 25: 427-436) diseñaron una máquina apropiada para ensayos de fluencia lenta en uniones adhesivas aluminio/epoxi. La máquina consta, entre otros elementos, de un cilindro neumático y un calefactor con controlador de temperatura.
Sin embargo, todas las máquinas descritas no pueden adaptarse fácilmente a probetas similares a las MCB. Además, sólo controlan la temperatura durante el ensayo y en ningún caso regulan la humedad relativa (aspecto de gran importancia en los ensayos de uniones adhesivas).
Por todo ello, se ha detectado la necesidad de diseñar un dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto que solucione los problemas comentados de los dispositivos para ensayos conocidos por el estado de la técnica, el cual dispondrá de un útil multimodal y además permitirá controlar en todo momento las condiciones de ensayo en lo que a la temperatura y a la humedad relativa se refiere.
Este objetivo se consigue por medio de la invención tal y como está definida en la reivindicación 1 , en las reivindicaciones dependientes se definen realizaciones preferidas de la invención.
Descripción de la invención.
La presente invención se refiera a un dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto. El dispositivo objeto de la presente invención tiene la particularidad de que comprende:
Una cámara hermética que comprende medios de ensayo un útil multimodal de sujeción de la probeta a ensayar y medios sensores de las condiciones de temperatura y humedad relativa en el interior de la cámara hermética.
Una unidad de tratamiento de aire, situada junto a la cámara hermética y conectada con la misma mediante sendas entradas y salidas de aire, donde dicha unidad de tratamiento de aire comprende una pluralidad de secciones situadas en serie, cada una de las cuales dispone de distintos medios de climatización configurados para modificar las condiciones de temperatura y humedad relativa del flujo de aire que pasa a través de las mismas hasta alcanzar unos valores predeterminados.
Medios electrónicos de control del dispositivo configurados para realizar la regulación y estabilización de la temperatura y humedad relativa en el interior de la cámara hermética mediante el control de las secciones de la unidad de tratamiento de aire; efectuar el accionamiento de los medios de ensayo y; realizar la adquisición y registro de los datos del ensayo procedentes de los medios sensores.
Gracias a la constitución descrita del dispositivo, el mismo permitirá realizar ensayos de fractura en modo mixto con un útil multimodal y bajo las condiciones especificadas de temperatura y humedad relativa requeridas para cada pieza particular.
En un primer aspecto de la invención, los medios de ensayo de la cámara hermética podrán comprender: un pistón neumático situado por encima de la cámara hermética; una sonda asociada al pistón neumático; un resorte conectado al pistón neumático, situado en el interior de la cámara hermética; un extensómetro de pinzas que mide los desplazamientos del resorte; y un reloj comparador para introducir la carga a la que se va a realizar el ensayo. El pistón neumático será un pistón de doble acción, el cual aplica la carga necesaria para realizar el ensayo. Por su parte, el muelle y el extensometro se emplean como célula de carga permitiendo medir la fuerza aplicada y la relajación que tiene lugar a lo largo del tiempo de ensayo, el extensometro de pinzas proporcionará una gran sensibilidad y precisión.
En otro aspecto de la invención, el útil multimodal podrá comprender una pieza superior que se fija al resorte y una pieza inferior que se fija a la base de la cámara hermética y en la cual se apoya la probeta a ensayar. Además dicho útil multimodal podrá tener un diseño geométrico configurado para permitir variar las posiciones de ensayo de la probeta a 0o, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° y 90°.
De esta forma, se utilizará un utillaje con menor peso y con una forma de anclaje entre probeta y útil más simple, práctico y eficaz. El útil tiene un diseño innovador que permite las posiciones de ensayo de la probeta mencionadas. La forma de anclaje de la probeta-utillaje se simplifica reduciéndose de cuatro taladros a solo dos, lo cual facilita y simplifica la colocación de la probeta a ensayar y sobre todo, la realización de las probetas, disminuyendo el tiempo de preparación y la probabilidad de rotura previa de las mismas a causa de la acumulación de tensiones al realizar los taladros.
En otro aspecto de la invención, los medios sensores podrán comprender un termo-higrómetro para visualizar la temperatura y la humedad relativa en el interior de la cámara hermética, y sondas de temperatura y la humedad relativa configuradas para recoger datos de estas dos variables y transmitirlas a los a los medios electrónicos de control.
En otro aspecto más de la invención, la cámara hermética podrá comprender una carcasa exterior transparente, al cual dispone de una puerta de cierre hermética. Al ser transparente la citada carcasa permitirá la visualización del ensayo y, si fuera necesario, la medición externa de los parámetros (por ejemplo mediante interferometría óptica). Por su parte la puerta de cierre hermética mantiene constantes la temperatura y humedad relativa dentro de la cámara hermética durante todo el ensayo.
En otro aspecto de la invención, la unidad de tratamiento de aire podrá comprender:
Una primera sección donde se mezcla el aire proveniente del exterior y el aire de retorno de la cámara hermética que llega a través de la entrada.
Una segunda sección que comprende una serie de resistencias eléctricas variables en forma de parrilla. Una tercera sección que comprende una batería de frío compuesta por una pluralidad de colectores de entrada y salida de un fluido refrigerante, tubos de distribución del fluido al tresbolillo, un panel con aletas y un bastidor metálico que soporta el conjunto.
Una cuarta sección que comprende un filtro gravimétrico basto soportado por una estructura de aluminio.
Una quinta sección que comprende una zona de humectación que comprende micro-pulverizadores, una bomba de impulsión, un recipiente de recogida de agua, válvulas de entrada, válvulas de vaciado y válvulas de seguridad mediante flotador.
Una sexta sección que comprende un separador de gotas de agua del flujo de aire mediante lamas de plástico dispuestas aerodinámicamente.
Finalmente, una séptima sección que comprende un ventilador centrífugo que impulsa el aire hacia la salida a través de un conducto.
Gracias a las distintas secciones que componen la unidad de tratamiento de aire (UTA) se conseguirá que el flujo de aire que pasa a través de las mismas adquiera las condiciones de temperatura y humedad requeridas en cada caso para casa ensayo particular.
En un último aspecto de la invención, la unidad de tratamiento de aire podrá estar recubierta de paneles tipo sándwich constituidos a partir de dos chapas metálicas exteriores y una capa central intermedia de un material espumado aislante. Los citados paneles tienen la función fundamental de servir de elementos aislantes para mantener en todo momento la temperatura y humedad en el interior de la unidad de tratamiento de aire.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se pasa a describir una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
La figura 1 muestra una vista esquemática en alzado del dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto objeto de la presente invención.
La figura 2 muestra una vista esquemática en alzado a mayor escala del útil multimodal que forma parte del dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto objeto de la presente invención.
La figura 3 muestra una vista esquemática en alzado a mayor escala de la tercera sección de la unidad de tratamiento de aire que forma parte del dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto objeto de la presente invención. La figura 4 muestra una vista esquemática en alzado a mayor escala de la cuarta sección de la unidad de tratamiento de aire que forma parte del dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto objeto de la presente invención.
La figura 5 muestra una vista esquemática en alzado a mayor escala de la quinta sección de la unidad de tratamiento de aire que forma parte del dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto objeto de la presente invención.
La figura 6 muestra una vista esquemática en alzado a mayor escala de la sexta sección de la unidad de tratamiento de aire que forma parte del dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto objeto de la presente invención.
En las figuras anteriormente citadas se identifican una serie de referencias que corresponden a los elementos indicados a continuación, sin que ello suponga carácter limitativo alguno:
1. cámara hermética
2. pistón neumático de los medios de ensayo de la cámara hermética
3. sonda de los medios de ensayo de la cámara hermética
4. resorte de los medios de ensayo de la cámara hermética
5. extensómetro de pinzas de los medios de ensayo de la cámara hermética
6. termo-higrómetro de los medios sensores de la cámara hermética
7. sondas de temperatura y humedad relativa de los medios sensores de la cámara hermética
8. útil multimodal de la cámara hermética
9. pieza inferior del útil multimodal
10. probeta a ensayar
11. reloj comparador de los medios de ensayo de la cámara hermética
12. unidad de tratamiento de aire
13. primera sección de la unidad de tratamiento de aire
14. segunda sección de la unidad de tratamiento de aire
15. tercera sección de la unidad de tratamiento de aire
16. cuarta sección de la unidad de tratamiento de aire
17. quinta sección de la unidad de tratamiento de aire
18. sexta sección de la unidad de tratamiento de aire
19. séptima sección de la unidad de tratamiento de aire
20. salida de aire de la unidad de tratamiento de aire
21. entrada de aire de la unidad de tratamiento de aire
22. pieza superior del útil multimodal
23. carcasa exterior de la cámara hermética 24. resistencias eléctricas variables de la segunda sección de la unidad de tratamiento de aire
25. tubos de distribución del fluido al tresbolillo de la tercera sección de la unidad de tratamiento de aire.
26. filtro gravimétrico basto de la cuarta sección de la unidad de tratamiento de aire
27. separador de gotas de la sexta sección de la unidad de tratamiento de aire
28. ventilador centrífugo de la séptima sección de la unidad de tratamiento de aire
29. paneles sándwich que recubren a la unidad de tratamiento de aire.
30. colectores de entrada y salida de la tercera sección de la unidad de tratamiento de aire
31. panel de aletas de la tercera sección de la unidad de tratamiento de aire
32. bastidor metálico de la tercera sección de la unidad de tratamiento de aire
33. estructura de aluminio de la cuarta sección de la unidad de tratamiento de aire 34 micro-pulverizadores de la quinta sección de la unidad de tratamiento de aire
35. bomba de impulsión de la quinta sección de la unidad de tratamiento de aire
36. recipiente de recogida del agua de la quinta sección de la unidad de tratamiento de aire
37. válvula de entrada de la quinta sección de la unidad de tratamiento de aire
38 válvula de vaciado de la quinta sección de la unidad de tratamiento de aire
39. válvula de seguridad mediante flotador de la quinta sección de la unidad de tratamiento de aire
40. Lamas de plástico de la sexta sección de la unidad de tratamiento de aire
Descripción detallada de la invención
Tal y como se puede apreciar en la figura 1 el dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto objeto de la presente invención, está constituido, en primer lugar, por una cámara hermética (1) en cuyo interior se disponen medios de ensayo (2, 3, 4, 5, 11), un útil multimodal (8) de sujeción de la probeta (10) a ensayar y medios sensores (6, 7) de las condiciones de temperatura y humedad relativa en el interior de la cámara hermética (1).
La cámara hermética (1) consta de una estructura de perfil de aluminio recubierta lateralmente con metacrilato transparente y base superior e inferior de acero inoxidable. Sus dimensiones exteriores son 500x500x700 mm y dispone de una puerta de cierre hermético.
En lo que se refiere a los medios de ensayo, en la parte superior de la cámara hermética (1) se sitúa un pistón neumático (2) de doble acción que aplica la carga es de doble acción (DIN ISO 15552) con las siguientes características: diámetro de 32 mm, recorrido de 125 mm, rango de presión de 1 a 10 bar y temperatura de trabajo desde -20°C hasta 80°C, al cual está asociado una sonda correspondiente (3). En el interior de la cámara hermética (1) y conectado al pistón (2) se dispone un resorte (4) (rigidez 40 N/mm) y un extensómetro de pinzas (5) que mide los desplazamientos del resorte (4), enviándose la medida de dichos desplazamientos al sistema de control. Las características del extensómetro (5) son: tensión de excitación 5 a 10 V, tensión de salida de 2 a 4 mV con una linealidad de 0, 15% para rangos de medida menores de 6 mm y 0,2% para rangos de medidas más grandes y su rango de temperaturas de trabajo es desde -40°C hasta 100°C. Los medios de ensayo se completan con un reloj comparador (11) (rango 12,7 mm, precisión 0,001 mm y punto de contacto para la medida de M 2'5 x 0'45), el cual sirve para medir la carga a la que se va a realizar el ensayo.
La temperatura y humedad relativa de la cámara se visualiza mediante un termo-higrómetro (6) y además en la cámara hermética se dispondrán sondas de temperatura y humedad relativa (7) conectables a un ordenador, con un rango de temperaturas de -20°C a +60°C con una resolución de 0,1 °C y con una medición de humedad de 25% a 95% con una resolución de 1 %. Dichas sondas (7) transmiten los datos recogidos al sistema de regulación y control para el procesado de la señal.
El útil multimodal (8) presenta un peso reducido y su mecanización se realiza en una fresadora de CNC en una pieza de latón de 5 mm de espesor, siendo por lo tanto muy precisa gracias a que se utiliza para su fabricación latón en lugar de acero inoxidable. Dicho útil multimodal (8) dispone de un pieza superior (22) que se fija al resorte (4) mediante un tornillo y la pieza inferior (9) del útil se fija a la base de la cámara (1) también mediante un tornillo. EL útil (8) incorpora dos taladros para el anclaje de la probeta (10) y varios taladros distribuidos específicamente sobre las dos piezas (9) y (22) del útil para poder realizar ensayos en modo I, modo II y cinco casos intermedios de modo mixto (0o, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° y 90°). Fijada al útil multimodal (8) se sitúa la probeta (10) que se desea ensayar a fractura.
En segundo lugar, el dispositivo está constituido por una unidad de tratamiento de aire (UTA) (12) la cual está constituida por perfiles de aluminio remachados, que se emplearán en este caso por su ligereza, y, además, está recubierta por varios paneles sándwich (23) atornillados, constituidos cada uno de ellos por dos chapas metálicas (espesor 1 mm) exteriores y una capa central intermedia (espesor 20 mm) de un material espumado aislante. Los paneles se unen a la estructura mediante remachado excepto los correspondientes a las secciones funcionales que se atornillan para facilitar el acceso para mantenimiento.
La unidad de tratamiento del aire (UTA) (12) esta construida a partir de una pluralidad de secciones, en concreto siete secciones dispuestas en serie una a continuación de otra.
En una primera sección (13) se mezcla el aire proveniente del exterior y de retorno de la cámara climática.
La segunda sección (14) está constituida por una serie de resistencias eléctricas variables (24) en forma de parrilla, con una potencia nominal de 1000 W, 4 A de intensidad para proporcionar una temperatura en su superficie comprendida entre 20°C y 100°C. Esta resistencia eléctrica se aloja en un bastidor estructural de perfil de aluminio remachado que permite un fácil montaje y desmontaje de la unidad. La misión principal de esta segunda sección (14) es la de calentar el aire cuando sea necesario.
La tercera sección (15), representada en la figura 3, es una batería de frío constituida por unos colectores (30) de cobre de entrada y salida del fluido refrigerante (agua con glicol), unos tubos de distribución (25) del fluido, también de cobre, dispuestos al tresbolillo, un panel con aletas (31) de aluminio que facilita la transmisión del frío al aire y un bastidor (32) estructural con perfil de aluminio que soporta el conjunto. La misión principal de esta tercera sección (15) es la de enfriar el aire cuando sea necesario. Mediante una válvula de entrada de tres vías se regula el caudal de entrada del fluido a esta sección que es alimentado por una enfriadora (compresor comercial de 200 w, 240 V, 50 Hz que proporciona temperaturas desde - 10°C).
La cuarta sección (16), representada en la figura 4, está compuesta por un filtro gravimétrico basto (26) de cartón o similar soportado por una estructura de aluminio
(33) y cuya función es retener el polvo, impurezas y partículas en suspensión que pueda haber en el aire.
La quinta sección (17), representada en la figura 5, constituye la zona de humectación y comprende micro-pulverizadores (34) (40 litros/hora), para rociar agua sobre el aire que pasa a través de esta sección y por tanto aumentando su humedad relativa, una bomba de impulsión (35) para llevar el agua a los micro-pulverizadores
(34) , un recipiente de recogida de agua (36) una vez ha sido pulverizada por los micro- pulverizadores (34), y válvulas de entrada (37), de vaciado (38) y de seguridad (39), con flotador. La sexta sección (18), representada en la figura 6, comprende un separador de las gotas (27) de agua que lleva el flujo aire, realizándose dicha separación mediante lamas (40) dispuestas aerodinámicamente para reducir la pérdida de carga.
En la séptima sección (19) se ubica un ventilador centrífugo (28) que impulsa el aire hacia la salida de aire (20) el cual va hacía la cámara hermética (1) a través de un conducto flexible. El ventilador centrífugo (28) tiene las siguientes características: potencia nominal 100 W, tensión 240 V, frecuencia 50 Hz y caudal regulable hasta 300 m3/h.
En la unidad de tratamiento de aire (12) además se dispone una entrada de aire (21) que conduce el aire a la entrada de la unidad de tratamiento de aire (12) mediante un conducto. Los conductos de entrada y salida de aire están compuestos por un núcleo de dos capas (aluminio/poliéster) de 40 micrómetros, armado mediante aros de acero galvanizado. Tanto la salida de aire (20) como la entrada de aire (21) disponen de compuertas, las cuales disponen de accionamiento motorizado, son de aluminio y van provistas de lamas con apertura en oposición, para poder variar el flujo de aire entrante y saliente de la unidad de tratamiento de aire (12) según sea necesario en cada caso.
El dispositivo se completa en tercer lugar con medios electrónicos de control del dispositivo configurados para, en primer lugar, realizar la regulación y estabilización de la temperatura y humedad relativa en el interior de la cámara hermética (1) mediante el control de las secciones (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) de la unidad de tratamiento de aire (12), en segundo lugar, efectuar el accionamiento de los medios de ensayo (2, 3, 4, 5, 11) y, en tercer lugar, realizar la adquisición y registro de los datos del ensayo procedentes de los medios sensores (6, 7).
Tanto la adquisición, registro de datos y control del ensayo como la regulación y control del sistema de climatización se realiza mediante sistemas comerciales.
Mediante un programa informático diseñado específicamente se adquieren los datos provenientes de los sensores e instrumentos de medida, se registran dichos datos y se analizan. Primero, toma las señales del extensómetro (5) y las acondiciona mediante un acondicionador de señal. Después, las pasa a un sistema de adquisición de datos que las manda mediante un USB al ordenador.
La regulación de la temperatura y humedad relativa de la cámara hermética (1) se realiza mediante un control automatizado que, en función de los datos recogidos en las sondas de temperatura y humedad (7) de la cámara hermética (1), realiza la apertura o cierre gradual de las compuertas de entrada (21) y salida (20) de aire de la unidad de acondicionamiento de aire (12), regula el caudal de aire, modifica la tensión las resistencias eléctrica (24), el caudal de la bomba (35) para humectación, y en definitiva actúa sobre los diferentes componentes de las distintas secciones de la unidad de tratamiento del aire (12) para dotar al flujo de aire que pasa por el interior de la misma de las condiciones de temperatura y humedad necesarias en cada caso concreto.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto, caracterizado porque comprende:
- una cámara hermética (1) que comprende medios de ensayo (2, 3, 4, 5, 1 1), un útil multimodal (8) de sujeción de la probeta (10) a ensayar y medios sensores (6, 7) de las condiciones de temperatura y humedad relativa en el interior de la cámara hermética (1)
- una unidad de tratamiento de aire (12), situada junto a la cámara hermética (1) y conectada con la misma mediante sendas entradas y salidas de aire (20, 21), donde dicha unidad de tratamiento de aire comprende una pluralidad de secciones (13, 14,
15, 16, 17, 18, 19) situadas en serie, cada una de las cuales dispone de distintos medios de climatización configurados para modificar las condiciones de temperatura y humedad relativa del flujo de aire que pasa a través de las mismas hasta alcanzar unos valores predeterminados, y
- medios electrónicos de control del dispositivo configurados para:
realizar la regulación y estabilización de la temperatura y humedad relativa en el interior de la cámara hermética (1) mediante el control de las secciones (13, 14, 15,
16, 17, 18, 19) de la unidad de tratamiento de aire (12),
efectuar el accionamiento de los medios de ensayo (2, 3, 4, 5, 1 1) y
realizar la adquisición y registro de los datos del ensayo procedentes de los medios sensores (6, 7).
2. Dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto según la reivindicación 1 , caracterizado porque los medios de ensayo (2, 3, 4, 5, 1 1) de la cámara hermética comprenden:
- un pistón neumático (2) situado por encima de la cámara hermética (1),
- una sonda (3) asociada al pistón neumático (2),
- un resorte (4) conectado al pistón neumático (2), situado en el interior de la cámara hermética (1),
- un extensómetro de pinzas (5) que mide los desplazamientos del resorte (4), y
- un reloj comparador (1 1) para introducir la carga a la que se va a realizar el ensayo.
3. Dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el útil multimodal (8) tiene una pieza superior (22) que se fija al resorte (4) y una pieza inferior (9) que se fija a la base de la cámara hermética (1) y en la cual se apoya la probeta (10) a ensayar y porque tiene un diseño geométrico configurado para permitir variar las posiciones de ensayo de la probeta (10) a 0o, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° y 90°.
4. Dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios sensores (6, 7) comprenden:
- un termo-higrómetro (6) para visualizar la temperatura y la humedad relativa en el interior de la cámara hermética (1), y
- sondas de temperatura y la humedad relativa configuradas para recoger datos de estas dos variables y transmitirlas a los a los medios electrónicos de control.
5. Dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la cámara hermética (1) comprende una carcasa exterior (23) transparente, al cual dispone de una puerta de cierre hermética.
6. Dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la unidad de tratamiento de aire (12) comprende:
- una primera sección (13) donde se mezcla el aire proveniente del exterior y el aire de retorno de la cámara hermética (1) que llega a través de la entrada (21),
- una segunda sección (14) que comprende una serie de resistencias eléctricas variables (24) en forma de parrilla,
- una tercera sección (15) que comprende una batería de frío compuesta por una pluralidad de colectores (30) de entrada y salida de un fluido refrigerante, tubos de distribución (25) del fluido al tresbolillo, un panel con aletas (31) y un bastidor metálico (32) que soporta el conjunto
- una cuarta sección (16) que comprende un filtro gravimétrico basto (26) soportado por una estructura de aluminio (33)
- una quinta sección (17) que comprende una zona de humectación que comprende micro-pulverizadores (34), un bomba de impulsión (35), un recipiente de recogida de agua (36), y válvulas de entrada (37), de vaciado (38) y de seguridad (39) por flotador
- una sexta sección (18) que comprende un separador de gotas (27) de agua del flujo de aire mediante lamas (40) de plástico dispuestas aerodinámicamente, - una séptima sección (19) que comprende un ventilador centrífugo (28) que impulsa el aire hacia la salida (20) a través de un conducto.
7. Dispositivo climatizado para ensayos de fractura en modo mixto según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la unidad de tratamiento de aire (12) está recubierta de paneles (29) tipo sándwich constituidos a partir de dos chapas metálicas exteriores y una capa central intermedia de un material espumado aislante.
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