Adquisición de datos de ensayos de impacto y de explosiónSistema de adquisición de datos (DAQ) de alta velocidad para medir la presión de la explosión, las ondas de choque, el impulso y la vibración en ensayos con explosivos.

¿Qué es el ensayo de resistencia a las explosiones y por qué es importante?

Los ensayos de detonación, también denominados ensayos de explosión, consisten en la medición controlada de los efectos de presión, térmicos y mecánicos producidos por una detonación u otra liberación rápida de energía. Abarca una amplia gama de escalas y configuraciones: desde una muestra de explosivo de unos pocos gramos detonada en un tubo de choque de laboratorio, hasta una explosión a escala real en una mina a cielo abierto, una prueba de fuego real en un campo de tiro militar o un ensayo de carga de explosión contra la fachada de un edificio o el panel de un vehículo. En todos los casos, el objetivo es el mismo: convertir un fenómeno físico violento y de rápida evolución en datos precisos y útiles.

La importancia de esos datos varía según el sector, pero lo que está en juego es siempre considerable:

• Minería. El diseño de la voladura influye directamente en la calidad de la fragmentación, el riesgo de proyección de rocas y el alcance de las vibraciones del suelo y la sobrepresión del aire en las estructuras o comunidades cercanas. Medir el rendimiento real de la voladura —y no solo simularlo— es la forma en que los operadores mineros optimizan el diseño de la voladura, validan nuevas formulaciones de explosivos y demuestran el cumplimiento de los límites legales relativos a la sobrepresión del aire y las vibraciones.

• Ingeniería civil. El diseño resistente a explosiones para fachadas, muros antiexplosión, puentes y otras infraestructuras críticas debe validarse en condiciones de carga reales antes de que el diseño se dé por finalizado, se certifique o se asegure. Los ensayos de resistencia a explosiones constituyen la comprobación empírica de si una estructura se comporta realmente tal y como predicen los cálculos de diseño.

• Defensa. Los efectos de las armas y los artefactos explosivos improvisados (IED), el rendimiento del blindaje de los vehículos, los equipos de protección y los límites de exposición a la sobrepresión de las explosiones para el personal se caracterizan mediante ensayos de explosión instrumentados; estos datos se tienen en cuenta directamente a la hora de tomar decisiones relativas a la protección de las fuerzas y la seguridad.

En todos estos ámbitos, los ensayos de explosión también desempeñan un papel que es fácil pasar por alto: constituyen el conjunto de datos del mundo real que valida los modelos numéricos y de simulación en los que se basan cada vez más los programas de ensayo. La fiabilidad de una simulación depende de los datos de los ensayos físicos con los que se haya calibrado; por eso, la precisión del sistema de medición subyacente es tan importante como el propio ensayo.

Registra el historial completo de presión en función del tiempo, desde el inicio del aumento hasta la fase negativa.

Una detonación o explosión produce una curva de presión-tiempo característica: un salto casi instantáneo hasta la presión máxima al llegar el frente de choque, una disminución hasta volver a la presión ambiente y, normalmente, una fase negativa (por debajo de la presión ambiente) antes de que la presión se recupere.

Para extraer datos significativos de esa firma —ya sea para la I+D en materia de explosivos, la validación del diseño estructural o la evaluación de la exposición del personal— se requiere una cadena de medición que no distorsione ni trunque ninguna parte de la misma.

Los sistemas de Dewesoft se han diseñado teniendo en cuenta este requisito:

• Frecuencias de muestreo de hasta 15 MHz por canal en Hardware de adquisición de datos SIRIUS XHS ofrecen tiempos de subida muy inferiores a un microsegundo, por lo que se registra la amplitud máxima real en lugar de una aproximación redondeada.

• Adquisición amplia y sin huecos registra la fase completa, tanto positiva como negativa, de la onda, y no solo el pico inicial, por lo que permite calcular con precisión el impulso (la presión integrada en el tiempo).

• Canales matemáticos integrados en DewesoftX calcular la presión máxima, el tiempo de llegada, la duración de la fase positiva y el impulso directamente a partir de la forma de onda sin procesar, sin necesidad de exportarla a un programa de análisis independiente.

• Matrices multipunto – varios sensores de presión situados a lo largo de una línea o una rejilla – permiten a los ingenieros seguir la propagación del frente de choque y determinar la velocidad y la atenuación de la onda en función de la distancia, un requisito habitual en la caracterización de explosivos y la investigación sobre cargas de explosión.

Tanto si el objetivo es validar un modelo de simulación comparándolo con datos reales de detonación como si se trata de confirmar que una explosión en la producción se mantiene dentro de los límites reglamentarios de sobrepresión atmosférica, el requisito fundamental es el mismo: un sistema de medición que registre el suceso tal y como ocurrió realmente.

Compatibilidad directa y con bajo nivel de ruido con sensores de presión de explosión

La presión de chorro se mide normalmente mediante una de estas dos tecnologías de sensores, y el hardware de Dewesoft está diseñado para funcionar con ambas sin necesidad de un acondicionamiento adicional de la señal:

• Sensores de presión piezoeléctricos ICP®/IEPE (elementos de cuarzo o turmalina, sondas de lápiz de campo libre o medidores de presión reflejada) requieren una fuente de excitación de corriente constante. Los módulos Dewesoft SIRIUS XHS suministran hasta 20 mA de alimentación IEPE integrada, lo que satisface el mayor consumo de corriente especificado por muchos sensores de explosiones de alta frecuencia sin necesidad de un amplificador ICP externo en la ruta de la señal.

• Sensores de presión piezorresistivos, que suelen utilizarse para mediciones de mayor duración o acopladas en corriente continua, en las que la fuga de carga del sensor piezoeléctrico supondría una limitación, se conectan a través de los módulos de entrada de tensión y de puente de Dewesoft.

Dado que la integridad de la señal no depende únicamente del propio sensor, hay algunos detalles importantes en toda la cadena de medición; el equipo de ingeniería y de soporte técnico de Dewesoft puede ayudar a especificarlos para un plan de pruebas concreto:

• Cableado coaxial de baja capacitancia para mantener la respuesta en altas frecuencias a lo largo de los tramos de cable que van desde el sensor hasta el sistema de registro, cuya longitud puede oscilar entre decenas y cientos de metros o extenderse por toda una mina.

• Adaptación de la frecuencia de resonancia y del tiempo de subida entre el sensor y la duración prevista del pulso, de modo que el propio elemento sensor no se convierta en el factor limitante de la medición.

• Protección térmica y contra destellos luminosos en el caso de los sensores instalados cerca del lugar de la detonación, donde el calor radiante y el destello de la bola de fuego pueden afectar a las lecturas incluso antes de que llegue la onda de choque mecánica —un modo de fallo bien documentado, especialmente en el caso de los elementos piezorresistivos—.

Esta compatibilidad directa permite que un ingeniero de ensayos pueda utilizar transductores de presión PCB, Kistler u otros transductores IEPE/ICP y piezorresistivos que ya hayan sido homologados para una norma o un rango determinados, y conectarlos directamente a un sistema Dewesoft, en lugar de tener que rediseñar la cadena de señal en torno al sistema de adquisición de datos (DAQ).

Una única plataforma de software, desde la configuración de los sensores hasta el informe final

DewesoftX Se incluye con todos los sistemas de adquisición de datos de Dewesoft y abarca todo el flujo de trabajo de un ensayo de explosión, desde la configuración inicial de los sensores hasta la elaboración del informe final:

• Configuración del sensor y del TEDS con bibliotecas integradas para sensores IEPE/ICP y de puente, de modo que la sensibilidad y las unidades de los sensores de presión se configuren correctamente antes de la primera toma.

• Activación flexible, incluyendo el almacenamiento en búfer previo al disparo, los disparadores de nivel y pendiente, y las entradas de disparo externas (procedentes de una rotura de cable, un comando de detonador o una señal de sincronización), de modo que el sistema esté armado y captando datos antes de que se produzca el evento.

• Visualización en tiempo real de cada canal durante la configuración y la ejecución de las pruebas, de modo que se pueda comprobar el estado de los sensores y los niveles de señal antes de una prueba en vivo, en lugar de descubrirlos posteriormente en los datos. Dado que la pantalla se actualiza en tiempo real, los ingenieros también pueden revisar las formas de onda entrantes mientras sigue en marcha una grabación de larga duración, sin tener que esperar a que finalice.

• Sincronización horaria en un amplio recinto de pruebas, incluida la sincronización mediante IRIG, GPS y PTP (IEEE 1588), mantiene varias unidades de adquisición de datos (DAQ) sincronizadas con el mismo reloj en una zona de voladura o un campo de pruebas de grandes dimensiones, lo cual resulta importante cuando las matrices de sensores o las estaciones de cámaras se extienden a lo largo de cientos de metros o se distribuyen entre unidades de grabación independientes.

• Grabación local redundante y a prueba de fallos. Dado que, por lo general, una prueba de explosión no se puede repetir, los datos se graban en un dispositivo de almacenamiento no volátil integrado en el sistema a medida que se recogen, en lugar de conservarse únicamente en la memoria; de este modo, un fallo del sistema tras la explosión no pone en riesgo el único conjunto de datos generado por la prueba.

• Funciones matemáticas integradas, incluyendo la detección de picos, el cálculo de impulsos (integrales), la FFT y el análisis de orden, el filtrado y la comparación entre canales, de modo que el análisis posterior a la prueba se realiza en el mismo software en el que se registraron los datos.

• Informes automatizados para exportar los resultados procesados, los gráficos y los vídeos a un formato de informe estructurado, con el fin de su revisión interna, su entrega al cliente o su presentación ante las autoridades reguladoras.

Dado que DewesoftX funciona de la misma manera en todas las configuraciones de hardware de Dewesoft —desde una unidad compacta de campo hasta un sistema completo con varios chasis—, los ingenieros que aprendan a utilizar el software en un programa de ensayo podrán aplicar el mismo flujo de trabajo en el siguiente, independientemente de cómo cambie el alcance de la instrumentación.

Diseñado específicamente para programas de voladuras en los sectores de la minería, la ingeniería civil y la defensa

Los ensayos de impacto y explosión abarcan una amplia gama de aplicaciones, cada una de ellas con distintos requisitos de medición:

• Minería: La validación del diseño de voladuras, el desarrollo de explosivos y la supervisión del cumplimiento normativo requieren mediciones precisas de la sobrepresión atmosférica y las vibraciones del suelo. Dewesoft es compatible con redes de sensores multipunto para voladuras en producción e I+D en el ámbito de los explosivos, desde mediciones de la presión de detonación hasta la supervisión de las vibraciones y los límites de la onda de choque en estructuras cercanas.

• Ingeniería civil: Las estructuras resistentes a explosiones, como fachadas, muros antiexplosión, puentes e infraestructuras críticas, requieren la medición simultánea de la presión, el impulso, la deformación, el desplazamiento y la aceleración. Dewesoft combina estas señales en un único sistema de adquisición de datos (DAQ) sincronizado para el análisis directo de las cargas de explosión y la respuesta estructural.

• Defensa: Desde tubos de choque y caracterización de municiones explosivas hasta ensayos de protección de vehículos y personal, las aplicaciones de defensa exigen altas frecuencias de muestreo, numerosos canales sincronizados, vídeo de alta velocidad y equipos de campo resistentes. Los sistemas Dewesoft se adaptan tanto a experimentos de laboratorio como a ensayos de campo a escala real y permiten el funcionamiento a distancia para garantizar una mayor seguridad en los ensayos.

En todas estas aplicaciones, el reto es el mismo: registrar con precisión eventos de explosión rápidos y de gran amplitud, así como sus efectos, en todos los canales de medición.