SISTEMA DE DETECCIÓN DE GRIETAS EN ESTRUCTURAS METÁLICAS POR MEDIO DE ONDAS ULTRASÓNICAS

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José Francisco Ramos Vargas
hace 5 años
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2 ÍNDICE Objetivo Conceptos importantes Prototipo: Hardware Software Ensayos Conclusión Trabajos Futuros

OBJETIVO A las empresas productoras de energía eólica,

pero no se monitoriza de forma automática la salud

Aparecen los primeros signos de fatiga en elementos

años. Objetivo: Construir un sistema embarcado de

Monitorizar la Salud Estructural (MSE) de elementos

3 OBJETIVO A las empresas productoras de energía eólica, los paros de producción por averías suponen un coste elevado. Se invierte mucho dinero en sistemas de monitorización, pero no se monitoriza de forma automática la salud estructural del aerogenerador. Aparecen los primeros signos de fatiga en elementos críticos de aerogeneradores instalados hace más de 15 años. Objetivo: Construir un sistema embarcado de inspección de grietas mediante ultrasonidos para Monitorizar la Salud Estructural (MSE) de elementos metálicos críticos en aerogeneradores. Tiene que servir como plataforma de ensayos: evaluar desarrollo actual y futuro. Un diagnóstico temprano ahorraría millones de euros.

4 CONCEPTOS BÁSICOS

5 CONCEPTOS BÁSICOS: END Y MSE Ensayos No Destructivos (END): No afectan las propiedades físicas, químicas, mecánicas o funcionales de los materiales. En los procesos productivos: calidad de soldaduras, piezas de fundición, etc. En los productos de servicio: puentes, grúas, aerogeneradores, etc.

CONCEPTOS BÁSICOS: END Y MSE Monitorización de la salud estructural (MSE): Es un sistema END totalmente integrado en la estructura, acompañándola durante su vida.

6 CONCEPTOS BÁSICOS: END Y MSE Monitorización de la salud estructural (MSE): Es un sistema END totalmente integrado en la estructura, acompañándola durante su vida. La END es madura, puesto que se lleva investigando decenas de años y existen herramientas de medida y diagnosis en el mercado. Sin embargo, la MSE empieza a salir del laboratorio.

7 CONCEPTOS BÁSICOS: TIPOS DE ONDAS Ondas Longitudinales Ondas Transversales Ondas superficiales o de Rayleigh Actualmente las más usadas ya que pueden propagarse en cualquier medio No pueden propagarse en gases o líquidos Se propagan sobre las sup. de sólidos de gran espesor. Utilizadas para detectar defectos de la sup. de los mat. Ondas Guiadas SV SH En materiales delgados: chapas, tubos. Capacidad de propagarse a gran distancia.

8 CONCEPTOS BÁSICOS: MÉTODOS DE MEDICIÓN Pulso - Transmisión Pulso - Eco

9 PROTOTIPO HW SW

HARDWARE: PLACA DE CONTROL Zedboard vs Discovery Zedboard STM32F4 Conclusión Frecuencia de captura de la señal Frecuencia max. generación de pulsos 2x12 bit ADC a 1Msps 3x12 bit ADC a 2,4Msps!

Comunicación con ordenador 2xUSB, 2xGbE, 2xCAN, 2xUART, 2xSPI, 2xI2C 1xUSB, 2xCAN, 3xI2C, 3xI2S, 3XSPI, 6xUART Ambas plataformas tienen interfaces suficientes, pero sobresale la Zedboard, dispone de

El uc se puede soldar a mano, 2/4 capas en su PCB mientras que el Zynq necesita un proceso más complejo y múltiples capas.

10 HARDWARE: PLACA DE CONTROL Zedboard vs Discovery Zedboard STM32F4 Conclusión Frecuencia de captura de la señal Frecuencia max. generación de pulsos 2x12 bit ADC a 1Msps 3x12 bit ADC a 2,4Msps! Cuanta más resolución y velocidad de captura mejor. Del orden de los GHz Del orden del MHz Los sensores hay que excitarlos en el rango de [50-800] KHz. Comunicación con ordenador 2xUSB, 2xGbE, 2xCAN, 2xUART, 2xSPI, 2xI2C 1xUSB, 2xCAN, 3xI2C, 3xI2S, 3XSPI, 6xUART Ambas plataformas tienen interfaces suficientes, pero sobresale la Zedboard, dispone de Ethernet. Complejidad de fabricación / industrialización Diseño, integración y fabricación compleja. Mayor número de capas en el PCB, rutado, componentes Fácil de integrar y fabricar. El uc se puede soldar a mano, 2/4 capas en su PCB mientras que el Zynq necesita un proceso más complejo y múltiples capas. Robustez Tecnología menos probada a inclemencias y gradientes de Tª Tecnología más sencilla y robusta Se confía en la tecnología más probada y depurada. Coste Económico Alto coste de las herramientas y de la placa [$400] Coste muy contenido [$12] Clara reducción de coste Tamaño La placa Zynq MMP tiene un tamaño similar al STM32F4, pero su coste se eleva a los $ x65 mm El SoC necesita de más periferia para funcionar que un uc, por tanto su placa será más grande. Flexibilidad Altamente flexible para integrar futuras funcionalidades Flexible, pero más limitado en memoria y velocidad La Zedboard es claramente más flexible y potente, pero realmente hace falta? Consumo energético 5V = 30W. 260uA/MHz -> [168MHz]- = 0,15W Existe una gran diferencia de consumo. La placa del uc se podría alimentar con 1W mientras que el Zynq demanda 30W. Total 3 6 STM32F4 Discovery

11 HARDWARE: PLACA DE EMISIÓN [TX BOARD]

12 HARDWARE: PLACA DE RECEPCIÓN [RX BOARD]

13 HARDWARE: CERRAMIENTO

14 SOFTWARE: CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA

15 SOFTWARE: VISUALIZACIÓN Y GUARDADO DE LAS ONDAS ULTRASÓNICAS

16 ENSAYOS

ENSAYOS: CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA Y OBTENCIÓN DE LAS SEÑALES PATRÓN Configuración el sistema: Chapa

Frecuencia de los pulsos: Barrido. 4 frecuencias diferentes: [100 KHz, 150 KHz, 200 KHz y 400 KHz].

Número de puntos de adquisición: 2000 puntos.

17 ENSAYOS: CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA Y OBTENCIÓN DE LAS SEÑALES PATRÓN Configuración el sistema: Chapa de acero F-1110 de 500x200x1mm Número de pulsos por ráfaga: 3 Pulsos: 150V pico a pico. Frecuencia de los pulsos: Barrido. 4 frecuencias diferentes: [100 KHz, 150 KHz, 200 KHz y 400 KHz]. Tiempo de retardo en comenzar la lectura: 0 ns. El receptor y el emisor están muy próximos entre sí. Número de puntos de adquisición: 2000 puntos. Filtro: Butterworth de orden 5 y 10 KHz de frecuencia de corte. Ensayo en placa sin defectos: Patrón! Emisión de 3 pulsos a 100KHz Filtro Butterworth de orden 5 y Fc.10KHz

18 ENSAYO1: AGUJERO PASANTE DE 1MM A 45 MM DEL RECEPTOR Regla aproximada: la discontinuidad debe ser mayor que la mitad de la longitud de onda de la ráfaga de emisión Chapa de acero con agujero de 1mm Siguiendo la regla: 16,5mm 4,12mm

19 ENSAYO2: AGUJERO PASANTE DE 4MM A 45 MM DEL RECEPTOR El aumento del defecto mejora su detección Chapa de acero con agujero de 4mm Disminuye la amplitud de las primeras ondas mientras que aumenta la amplitud de los rebotes

20 ENSAYO3: RANURA DE 15X1 MM A 46 MM DEL RECEPTOR El defecto aumenta la velocidad de propagación de la onda debido a una conversión de modos de vibración Chapa de acero con ranura de 15mm La velocidad de las ondas guiadas dep. de la Freq. y espesor

discontinuidad, pero sigue ocurriendo el

21 ENSAYO4: RANURA DE 20X3 MM A 45 MM DEL RECEPTOR Se aumenta del tamaño de la discontinuidad, pero sigue ocurriendo el mismo fenómeno físico. Chapa de acero con ranura de 20mm El dedo sobre la ranura rellena el hueco y disminuye el efecto de la discontinuidad: La onda se retrasa y amortigua. Desfavorece la conversión de modos.

ENSAYO5: RANURA DE 50X1 MM A 47 MM DEL RECEPTOR El

acero con ranura de 50mm Cambia radicalmente el

En vez de sufrir un adelanto sufre un retraso

22 ENSAYO5: RANURA DE 50X1 MM A 47 MM DEL RECEPTOR El defecto genera una señal más intuitiva Chapa de acero con ranura de 50mm Cambia radicalmente el comportamiento de la onda. En vez de sufrir un adelanto sufre un retraso respecto del patrón.! También se puede apreciar una amortiguación grande de la señal.

23 CONCLUSIONES Los buenos resultados prometen dar continuidad al proyecto. No ha sido necesario acudir a la tecnología FPGA. Metodología pulso-transmisión vs pulso-eco: Ventaja: en la interpretación y procesamiento de señales. Desventaja: se debe tener accedo a ambos lados de la zona a inspeccionar. Complejidad de las ondas guiadas: por ello se acude a patrones, no siempre tienen sentido intuitivo. Algoritmo SDC, IA, redes neuronales No ha sido posible instalarlo en un aerogenerador.

24 TRABAJOS FUTUROS Al prototipo le queda mucho recorrido hasta convertirse en un producto comercial. Para ello, las líneas de I+D deberían ser: Estudio e implementación de algoritmos de comparación de patrones en piezas reales. SDC (Signal Difference Coefficient) Poder generar ondas guiadas en modos fundamentales SH 0 y SV 0. Array de transductores de emisión y recepción. Sistema de MSE autónomo. Comunicación GSM/3G con central.

25 DUDAS?

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