En los últimos años, los avances en tecnologías de ultrasonido han sido significativos en la industria. La aplicación de estas tecnologías ha permitido mejorar la eficiencia y la precisión de los procesos industriales.
El ultrasonido industrial es una técnica no destructiva que utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para la detección y prevención de fallas en equipos críticos , medir espesores, determinar propiedades mecánicas y realizar otras mediciones. En este artículo técnico, se presentarán los avances más recientes en tecnologías de ultrasonido en la industria.
Avances tecnológicos para la prevención de fallas en equipos críticos
Ultrasonido de alta frecuencia
El ultrasonido de alta frecuencia se ha convertido en una de las tecnologías más importantes en la industria. Esta técnica se utiliza para inspeccionar materiales y detectar defectos internos. La principal ventaja de esta técnica es que puede detectar defectos de tamaño muy pequeño y con alta resolución espacial. Los avances más recientes en esta tecnología de ultrasonido incluyen el uso de transductores piezoeléctricos de alta frecuencia, el uso de múltiples transductores de diferentes frecuencias y la incorporación de técnicas de procesamiento de señales avanzadas. Estas mejoras han permitido una mayor sensibilidad y precisión en la detección de defectos en materiales.
Tomografía de ultrasonido
La tomografía de ultrasonido es una técnica que utiliza múltiples transductores para adquirir datos de ultrasonido desde diferentes ángulos. Luego, se emplea un algoritmo de reconstrucción de imágenes para crear una imagen tridimensional del objeto.
Esta técnica se usa en la industria para inspeccionar materiales y componentes complejos. Los avances más recientes en esta tecnología incluyen la mejora de la calidad de las imágenes, la reducción del tiempo de adquisición de datos y la incorporación de técnicas de aprendizaje automático para mejorar la precisión y la velocidad de procesamiento.
El uso de la tomografía en modo de reflexión por ultrasonido industrial se ha investigado principalmente con un número reducido de transductores, a menudo solo dos. En una configuración típica, un sensor está estacionario, mientras que un segundo sensor gira alrededor de un arco circular, tomando una serie de mediciones topográficas que se utilizan para reconstruir una imagen.
Si bien esta disposición permite realizar mediciones desde una gran cantidad de posiciones alrededor de un objeto (a veces más de 100 posiciones), no es lo suficientemente rápido para proporcionar la información en tiempo real que requieren muchos procesos industriales. Esta técnica describe un sistema de modo de reflexión de ultrasonido con un arreglo circular de 36 transductores que es capaz de generar imágenes reconstruidas a un promedio de 30 cuadros por segundo.
Para lograr esta velocidad de reconstrucción de imágenes se requiere un uso intensivo de los recursos de procesamiento. Se emplea una matriz de procesadores paralelos para la reconstrucción de los cuadros de imagen y la adquisición de datos es asistida por un procesador de señal digital (DSP).
Los resultados obtenidos por este sistema en forma de imágenes, con una resolución de 100 × 100 píxeles, muestran que se pueden obtener buenos resultados con sistemas de tomografía ultrasónica en la configuración explorada.
Ultrasonido de focalización total (tfm)
El método de ultrasonido de focalización total o Total Focusing Method (TFM) por sus siglas en inglés, es una técnica reciente para evaluar equipos y estructuras de forma no destructiva. Este método se basa en la metodología de orientación y focalización de la tecnología por ultrasonido (Phased Array) convencional, pero difiere con la focalización que se aplica en todas las partes del área a inspeccionar y no solo en la una profundidad fija.
El sello distintivo de la tecnología de ultrasonido Phased Array es su capacidad de enfoque en cualquier posición de una pieza bajo inspección que aplica retardos, ya sea en la emisión como en la recepción, para sincronizar el tiempo de vuelo de señales cortas impulsadas hacia la posición de interés. En el área focal de la muestra, la anchura completa del haz acústico generado deviene más pequeña y la resolución de detección correspondiente incrementa de forma radical
El método de focalización total es una extensión natural de esta capacidad. Este produce un haz enfocado a través de la focalización de ultrasonido multielemento (Phased Array) y su dispersión en cada posición sobre una región de interés en el ámbito de la pieza inspeccionada; además, solo los puntos de datos focalizados altamente resueltos son presentados al operador.
A menudo, la región de interés consiste en una cuadrícula cartesiana uniforme de todos los objetivos de focalización requeridos. Obviamente, lograr esta focalización en cada posición de la cuadrícula, usando la técnica de formación física del haz de manera convencional, puede consumir tiempo debido al período de propagación acústica física que es requerido para alcanzar cada posición de interés.
Puesto que las ondas acústicas típicas del ultrasonido para las aplicaciones de END son lineales, el resultado de la formación física del haz, que resulta de la superposición de los campos acústicos actuales para todos los elementos contribuyentes en una apertura específica, puede ser imitado por un proceso de adquisición posterior basado en el conjunto de datos de la captura de matriz completa (FMC).
La recuperación del conjunto de datos FMC requiere grabar la señal a partir de todos los elementos que componen la apertura recibida mientras una emisión acústica se genera por cada elemento individual incluida en dicha apertura de emisión. Como tal, el conjunto de datos FMC se forma por múltiples A-scan elementales en función de todas las combinaciones de los elementos emitidos y recibidos.
Ultrasonido de onda de corte
El ultrasonido de onda de corte es una técnica que se utiliza para medir la elasticidad y la densidad de los materiales. Esta técnica se utiliza en la industria para evaluar la integridad de los componentes. Los avances más recientes en esta tecnología incluyen el uso de transductores piezoeléctricos de alta frecuencia y la incorporación de técnicas de procesamiento de señales avanzadas. Estas mejoras han permitido una mayor precisión y sensibilidad en la medición de las propiedades mecánicas de los materiales.
Las tecnologías de ultrasonido con ondas de corte, es una técnica que consiste en utilizar ángulos predefinidos para identificar anomalías bajo la superficie que no se encuentran directamente debajo del propio transductor. Los defectos de los materiales o las soldaduras reflejan la energía ultrasónica de nuevo hacia el transductor y se presentan en forma de escaneos tipo A-scan en los que los operadores pueden analizar la información relevante sobre la integridad de los componentes.
Ultrasonido de ondas de corto alcance
Es una técnica de aplicación de ondas de sonido ultrasónicas guiadas que utiliza tipos especiales de sondas. Cuando las ondas guiadas golpean las discontinuidades, el sonido convertido en modo se refleja y es recibido por el transductor.
El principal beneficio de esta técnica es que puede usarse para detectar corrosión en placas y tuberías que son inaccesibles debido a estructuras de soporte, riostras, ménsulas, monturas, patas, zona criticas de tanques, bajo aislamiento u otros tipos de obstrucciones en el camino de la región de interés. Otra aplicación son las estructuras de acero recubiertas o rodeadas de hormigón.
Se utiliza un transductor ultrasónico especialmente diseñado para generar ondas guiadas de corto alcance. La sonda generalmente se escanea sobre una región que es fácilmente accesible y libre de irregularidades en la superficie, mirando en la dirección de la región de interés que generalmente es inaccesible debido a las estructuras de soporte o la geometría pura del objeto de prueba. El rango de escaneo de esta técnica es de hasta dos metros.
Integración del ultrasonido con otros sistemas de inspección
En la industria, a menudo es necesario utilizar varios sistemas de inspección diferentes para evaluar la calidad de los equipos y componentes. Los avances más recientes en tecnologías de ultrasonido han permitido la integración de sistemas de ultrasonido con otros sistemas de inspección, como cámaras infrarrojas, rayos X y tomografía computarizada. Esto permite una evaluación más completa de los materiales y componentes y una mayor precisión en la detección de defectos.
Para la inspección en servicio de soldaduras orbitales en tuberías y equipos que funcionan a temperaturas de hasta 200 °C, se pueden combinar dos métodos de ensayos no destructivos diferentes y los respectivos sistemas de inspección para cubrir la detección de todas las posibles condiciones de soldadura defectuosas. El sistema combina ultrasonidos y técnicas de corrientes de Foucault con enfoques dedicados para hacer frente a condiciones de alta temperatura.
Se emplea ultrasonido de matriz en fase para buscar defectos volumétricos dentro del cordón de soldadura, mientras se usa corrientes de Foucault para buscar grietas en la superficie y debajo de la superficie. Los resultados de los ultrasonidos de matriz en fase mostraron la efectividad de los mecanismos de enfriamiento y que los efectos de la temperatura en la atenuación del sonido pueden compensarse fácilmente hasta 200 °C. Los resultados de las corrientes de Foucault casi no muestran influencia cuando las temperaturas se elevaron hasta 300 °C.
Ultrasonido de alta potencia
El ultrasonido de alta potencia es una técnica que utiliza ondas de ultrasonido de alta amplitud para la activación de procesos químicos y físicos en los materiales. Esta técnica se utiliza en la industria para la limpieza, la soldadura, la fusión y otras aplicaciones. Los avances más recientes en esta tecnología incluyen la mejora de la eficiencia energética y la reducción del tiempo de procesamiento. Además, se han desarrollado técnicas de control de la potencia y la frecuencia de las ondas de ultrasonido para optimizar el proceso de activación.
El ultrasonido de alta potencia, continua en desarrollo, en particular en la aplicación en fluidos y medios multifásicos (gases o líquidos con partículas, gotas o burbujas en suspensión y/o sólidos porosos con fluidos en su interior); para lo cual, se ha desarrollo un nuevo tipo de generador ultrasónico de potencia para aplicaciones en fluidos (transductores de placa escalonada) que presentaba excelentes características de rendimiento y direccionalidad.
Utilizando este nuevo tipo de generador se han investigado y desarrollado una serie de aplicaciones de los ultrasonidos de alta intensidad en medios multifásicos tales como: la precipitación de partículas finas en humos industriales, la eliminación de espumas, la deshidratación de alimentos, la desecación de pastas en la extracción de minerales, el lavado de textiles y la atomización de capas líquidas.
Conclusiones
Los avances más recientes en tecnologías de ultrasonido han permitido mejorar significativamente la eficiencia y la precisión de los procesos industriales. La sensibilidad y precisión de detección de defectos, la calidad de las imágenes, la velocidad de procesamiento, la integración con otros sistemas de inspección y el uso de técnicas de aprendizaje automático y control de potencia y frecuencia son algunos de los principales avances en esta área.
Fuentes
- https://sonatest.com/blog/understanding-propagation-mode-total-focusing-method-tfm-1#:~:text=The%20Total%20Focusing%20Method%20(TFM,the%20image%20as%20it%20should.
- https://www.zetec.com/es/how-fmc-and-tfm-work-together-for-more-effective-ultrasonic-inspections/
- https://www.olympus-ims.com/es/phased-array-ultrasound-as-a-replacement-for-radiography/
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