Esto ha sido posible gracias al desarrollo de métodos de control de calidad sin contacto mediante radiactividad, que permiten a los fabricantes inspeccionar su producto sin necesidad de tocarlo físicamente con un instrumento. Este artículo ofrece un resumen de las distintas técnicas de medición disponibles, la física y el equipo utilizados en el control radiactivo del espesor, y un resumen de los procesos industriales en los que se utiliza esta técnica.
Métodos de control del espesor
Cuando necesites medir el grosor de algo, puedes utilizar una herramienta como una regla con una resolución aproximada de 1 mm; sin embargo, intentar medir a ojo con más precisión que ésta no es fiable.
Para medir dimensiones más pequeñas, se inventó el micrómetro (similar a un calibre vernier). Utilizan una rosca de tornillo precisa para medir pequeñas distancias con una resolución de 0,01 mm aproximadamente, y las versiones digitales o mecánicas son relativamente baratas.
Los micrómetros se siguen utilizando mucho en la fabricación de bajo volumen, donde los procesos se realizan a mano. Sin embargo, para la producción en serie, realizar mediciones manuales repetidas con un micrómetro es poco práctico, ya que supondría un importante cuello de botella en la línea de producción y reduciría su velocidad.
Micrómetro utilizado para medir a mano.
Para realizar mediciones precisas en una línea de producción, se puede utilizar una Máquina de Medición de Coordenadas (MMC) robotizada. Éstas utilizan una sonda para medir la geometría 3D de una pieza fabricada y pueden automatizarse para realizar la inspección mucho más rápido y con mayor precisión que un operario humano. La inspección con MMC robotizada se utiliza en la producción a gran escala de piezas con geometría compleja, como los componentes del motor de un coche.
Sin embargo, los materiales finos, como el papel, sólo tienen una medida importante que controlar: su grosor. Utilizar un micrómetro para ello es demasiado lento y podría dañar fácilmente el material, mientras que un sistema de MMC es innecesariamente complejo y aún podría ralentizar el ritmo de producción. Para resolver este problema, se han desarrollado instrumentos especializados de control del grosor basados en la radiactividad, que proporcionan un método rápido y sin contacto para medir el grosor de las chapas finas.
Control del espesor mediante isótopos radiactivos
Alfa(α), Beta(β) y Gamma(γ) son los principales tipos de radiación, y cada uno de ellos tiene un poder de penetración diferente a través de los materiales. Los tres tipos de radiación son partículas de radiación, siendo la alfa la más pesada y más ionizante y la gamma la más ligera y menos ionizante.
Asegúrate de no confundir la radiación EM con la radiación radiactiva. Mientras que la radiactividad o radiación radiactiva es un proceso por el que determinados elementos (elementos radiactivos) liberan radiación, la radiación EM es la energía o partículas energéticas emitidas por las fuentes EM.
La radiación alfa (α), un núcleo de helio, suele ser bloqueada por una hoja de papel y sólo viajará unos centímetros a través del aire.
La radiación beta, un electrón que se mueve rápidamente, puede penetrar a través de una hoja de papel, pero normalmente será bloqueada por una fina placa metálica.
La radiación gamma, un fotón de alta energía, es la partícula más pequeña y tiene el mayor poder de penetración, sólo bloqueable por una placa metálica gruesa de un material como el plomo o el hierro.
Control del espesor: Atenuación de la radiación
Cuando la radiación nuclear es "bloqueada" por un material, se ha atenuado hasta un nivel en el que ya no se detecta. Una sola partícula de radiación puede ser absorbida por un material o puede atravesarlo, con una mayor probabilidad de ser absorbida a medida que aumenta el tamaño de la partícula y el material se hace más grueso.
El material puede dispersar o absorber las partículas de radiación, y una partícula mayor o un material más grueso aumentan la probabilidad de que esto ocurra a medida que la partícula atraviesa el material. Sin embargo, como una fuente de radiación emite muchas partículas, algunas pueden ser absorbidas por el material mientras que una parte puede atravesarlo.
Si el 25% de la cantidad inicial de radiación atraviesa el material, se habrá atenuado en un 75%. Para un material y un tipo de radiación dados, la cantidad de atenuación causada por el material es proporcional a su grosor.
A medida que aumenta el grosor de un material, disminuye la proporción de la intensidad de radiación inicial que penetra a través de él. Esto se debe a que el material más grueso aumenta la probabilidad de que una partícula de radiación sea atenuada (absorbida/dispersada) por el objeto - StudySmarter Originals
La relación entre el grosor del material y la cantidad de atenuación de la radiación puede utilizarse para realizar una medición sin contacto. Conociendo la intensidad inicial del haz de radiación y midiendo la intensidad del haz después de que haya atravesado el material, se puede calcular la cantidad de atenuación y el correspondiente grosor del material.
La cantidad en que un grosor determinado del material atenuará un haz de radiación depende de su coeficiente de atenuación. Se trata de una propiedad del material que describe la proporción de radiación que se dispersa o absorbe por unidad de espesor al atravesar el material. El coeficiente de atenuación μ se utiliza en la siguiente ecuación para hallar la intensidad del haz transmitido.
Donde
es la intensidad del haz de radiación transmitida
es la intensidad inicial del haz
es el coeficiente de atenuación lineal
es el grosor del material o la distancia recorrida
Como la intensidad del haz de radiación puede medirse continuamente, esta técnica puede proporcionar una forma de inspeccionar materiales finos en tiempo real, a medida que se fabrican en una línea de producción ininterrumpida.
Radioisótopos utilizados en el control del espesor
La radiación beta es la más utilizada para las aplicaciones de control de espesor, ya que tiene el poder de penetración más adecuado; la radiación alfa quedaría bloqueada incluso por una hoja de papel fina, mientras que la radiación gamma atravesaría la mayoría de los materiales finos, aunque la radiación gamma se utiliza a veces para materiales de chapa metálica más gruesos.
Una fuente radiactiva con una vida media larga es ideal para esta aplicación, ya que significa que la tasa de actividad será constante durante mucho tiempo. Esto es útil, ya que significa que la fuente radiactiva no tendrá que cambiarse a menudo, y el nivel de actividad será casi constante cada día.
La semivida de un isótopo radiactivo describe el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los núcleos radiactivos de una muestra determinada. La velocidad de desintegración se describe así porque disminuye con el tiempo: a medida que disminuye el número de núcleos sin desintegrar, también disminuye la velocidad de desintegración.
Instrumento de control del espesor
El instrumento necesario para realizar el control radiactivo del espesor se denomina a veces calibrador radiactivo.
Cuando se utiliza en el proceso de fabricación de un material en hojas finas, como el papel o el papel de aluminio, el medidor radiactivo suele emplearse tanto para controlar como para supervisar el grosor del producto. Estos productos suelen fabricarse con rodillos que forman la lámina mediante compresión y estirado.
Esquema de un instrumento radiactivo de control del espesor (medidor radiactivo) incorporado a un sistema de producción con rodillos. - Originales de StudySmarter
Después de que el material de la hoja haya pasado por un conjunto de rodillos, pasa por debajo de una fuente radiactiva de intensidad conocida.
Un detector situado al otro lado del material mide la intensidad de la radiación que atraviesa la hoja y transmite estos datos a un procesador informático.
El procesador calcula el grosor del material basándose en la intensidad de radiación inicial conocida, la intensidad de radiación medida que atraviesa la lámina y las propiedades de atenuación del material de la lámina.
Este grosor calculado se compara con el grosor objetivo. Si el material es demasiado grueso o fino, el ordenador ajusta la fuerza sobre los rodillos para corregir el error.
Ejemplos de control del espesor
La aplicación más obvia de los medidores radiactivos es el control del grosor de las chapas durante su fabricación. Según el material fabricado, utilizan emisores beta o gamma en función del poder de penetración necesario. Sin embargo, la tecnología también ha encontrado otros usos en aplicaciones similares de inspección sin contacto. He aquí algunos ejemplos.
Aplicaciones de control del espesor
Producción de papel (Beta)
Producción de papel de aluminio (Beta)
Producción de chapas y placas metálicas (Gamma)
Control del espesor: Otras aplicaciones industriales
Control del nivel de fluidos: detección del nivel de llenado de un recipiente (Gamma)
Cantidades/composiciones de materias primas que se desplazan por una cinta transportadora (Gamma)
Análisis de la distribución de la densidad de materiales dentro de un contenedor cerrado (Gamma)
Radioisótopos de uso común para aplicaciones de medición
Criptón-85. Emisor beta con una vida media de 10,8 años.
Cesio-137. Emisor beta con una vida media de 30,17 años.
Americio-241. Principalmente un emisor alfa, con un subproducto de radiación gamma y una vida media de 432,2 años. Se utiliza como emisor gamma en aplicaciones de medidores radiactivos, ya que la partícula alfa queda bloqueada por unos centímetros de aire.
Cobalto-60. Emisor beta con una vida media de 5,3 años, que decae en Níquel-60 que emite rayos gamma.
Supervisión del espesor - Puntos clave
- Los materiales de chapa fina requieren un método de inspección sin contacto para controlar su espesor durante la producción.
- Se puede utilizar un medidor radi activo para controlar el grosor de las láminas en tiempo real, a medida que se fabrican.
- El medidor radiactivo funciona midiendo la proporción de intensidad de radiación inicial que atraviesa la chapa, y utiliza la cantidad de atenuación para calcular el grosor del material.
- El grosor calculado se compara con el grosor objetivo, y la fuerza sobre los rodillos se ajusta automáticamente para corregir cualquier error.
- Los medidores radiactivos también se utilizan para otras aplicaciones industriales sin contacto, como el control del nivel de fluidos, la medición de las cantidades de material que se desplazan por una cinta transportadora y el análisis de la distribución de la densidad en el interior de recipientes cerrados.
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