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Fabricación de Transductores Ultrasónicos para Equipos automatizados
de inspección de líneas de Tuberías
Carlos RUBIO, Obdulio MARRERO
Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial (CIDESI); Querétaro, México
Teléfono: +52 442 2119800, Fax: +52 442 2119839; e-mail: [email protected], [email protected]
Resumen
Actualmente la necesidad de satisfacer la inspección de grandes cantidades de líneas de tuberías, tuberías
enterradas y submarinas, han originado que la aplicación de equipos Automatizados para inspección (PIG) sea
cada vez mayor. Estos equipos en muchas ocasiones están expuestos a condiciones de presión y temperaturas
extremas (1500 psi y 60º C) [1]
, por lo que es necesario asegurar la integridad de cada uno de los componentes de
estos equipos durante su etapa de diseño. Un componente fundamental en el caso de los PIG de ultrasonido, son
los transductores, ya que son estos los encargados de la emisión y recepción de las ondas con los que se toman
las mediciones. Existen en el mercado gran número de transductores, pero no todos soportan las condiciones
antes mencionadas y los que si lo hacen usualmente son de gran tamaño lo que dificulta un arreglo
suficientemente compacto para ser acoplado en algunos equipos. En el año 2008 se puso en marcha un proyecto
en CIDESI para el diseño y fabricación de un Diablo Instrumentado, capaz de realizar mediciones de espesores y
detección de grietas por métodos ultrasónicos en líneas de tuberías de 10” de diámetro, por tal motivo fue
necesario diseñar y fabricar transductores de ultrasonido, que fueran capaces de soportar las condiciones de
operación del Diablo y ofrecieran una Excelente relación de ganancia resolución. El presente trabajo recoge toda
le experiencia y conocimientos adquiridos en el diseño y fabricación de Transductores de ultrasonido.
Keywords: Transductores de ultrasonido, PIGS, Líneas de tubería, Diablos Instrumentados, Ultrasonido.
1. Introducción
Los diablos instrumentados son dispositivos de inspección que se introducen en líneas de
tuberías de distribución de hidrocarburos, son transportados por el mismo flujo del fluido y
durante su viaje efectúan una inspección con técnicas no destructivas de la sanidad estructural
del material de la tubería. Los diablos deben ser capaces de discernir y almacenar la
información adquirida durante el trayecto recorrido y una vez fuera del ducto, transferir tal
información a la computadora y al software de análisis. La información adquirida está
relacionada con la sanidad del material así como con la posición y orientación del equipo. El
proceso de inspección va precedido de procesos de limpieza e inspección geométrica. Los
diablos de limpieza son comerciales, simples y de bajo costo. Los diablos geómetra (o caliper)
se utilizan para evaluar los defectos geométricos del ducto tales como ovalamientos, arrugas o
abolladuras, utilizan brazos flexibles como sensores. El objetivo de introducir un diablo
geómetra antes del instrumentado, es determinar si el diablo instrumentado puede viajar a lo
largo del ducto sin problemas. Los diablos ultrasónicos son normalmente para medición de
espesores (haz recto) y detección de grietas (haz angular).
A fin de asegurar la integridad de cada uno de los componentes uno de los aspectos que se
deben de considerar durante el diseño de estos equipos son las condiciones de operación, las
cuales en muchas ocasiones suelen ser extremas para algunos de los componentes, como es el
caso de la presión y temperatura para los transductores de ultrasonido. Las altas presiones
pueden causar un daño significativo a la mayoría de a los transductores, ya que estos no
fueron diseñados para soportarlas y colapsan ante las mismas. Por otra parte temperaturas
superiores a los 50º C pueden ocasionar la despolarización del elemento activo (cerámica
piezoeléctrica) ocasionando de igual manera un daño irreparable en los transductores de
ultrasonido. Si bien es verdad que existen transductores de ultrasonido capaces de soportar las
The Open Access NDT Database
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w.ndt.net/?id=
9633
Conector
Sintonizador
Eléctrico
Elemento activo
Capa de
acoplamiento
Externo
Housing
Electrodos
Backing o contramasa
Cables
Aislante
Fig. 1 Esquema y partes de un Transductor de Ultrasonido
condiciones de operación del Diablo (1500 psi y 60º C), las dimensiones de estos
transductores imposibilitaban un arreglo de ellos lo suficiente mente compacto como para ser
acoplado a un equipo para inspección de líneas de tuberías de 10” de diámetro. Es por todo
esto que se tuvo la necesidad de diseñar transductores de tamaño reducido, capaces de
soportar las condiciones de operación del Diablo y que sumado a ello ofrecieran un alta
sensibilidad y resolución, siendo la sensibilidad el más importante de estos últimos dos
parámetros, debido a la pérdida de energía del pulso ultrasónico emitido por diversos efectos
tales como; dispersión del haz en zonas corroídas o la atenuación que pueda generar el medio
liquido (crudo o cualquier producto asociado) entre el transductor y el ducto, ya que el equipo
realizara mediciones mediante la técnica de pulso eco por inmersión.
1.1 El transductor de ultrasonido
Un transductor es un dispositivo que puede convertir una forma de energía en otra, en el caso
de un transductor de ultrasonido convierte energía eléctrica en mecánica en forma de onda y
viceversa, es por esta razón que la mayoría de los transductores de ultrasonido pueden
utilizarse para aplicación de pulso eco. La figura 1 muestra un esquema general de un
transductor de ultrasonido en la que se pueden observar las partes principales de mismo, las
cuales son las siguientes: Elemento activo o piezoeléctrico, Backing o contramasa y Capa de
acoplamiento. La importancia y funcionamiento de ellas se explican a continuación.
El elemento activo o elemento piezoeléctrico es el encargado de realizar la conversión
electromecánica, el cual está conectado eléctricamente al exterior a través de contactos
soldados en los electrodos que cubren al elemento piezoeléctrico. Junto a dicho elemento, se
encuentran otros elementos no activos que determinan las características temporales de
emisión y/o recepción. Estos elementos son el llamado “Backing” o contramasa y capa de
acoplamiento.
Estos sistemas mecánicos pasivos tienen como función realizar una asimetría de emisión, lo
cual se entiende de la siguiente manera. La placa piezoeléctrica vibra, emitiendo energía
mecánica en ambos sentidos. Las aplicaciones prácticas, solo utilizan la emisión en una sola
de las caras. Con este fin se coloca la contramasa en la cara posterior que tiene como objetivo
fundamental absorber la energía mecánica en esa dirección y detener la oscilación de la
cerámica, originando un transductor con mayor resolución.
La capa de acoplamiento por su parte tiene dos funciones, proteger el elemento activo y
asegurar una mayor transferencia de energía, esto último se logra fabricándola de un material
con una impedancia acústica intermedia entre el elemento activo y el material sobre el cual se
espera utilizar el transductor.
2. Procedimiento experimental
2.1 Caracterización de cerámicas piezoeléctricas
Con el fin de conocer la frecuencia de máxima y mínima impedancia cada una de las
cerámicas estas fueron caracterizadas con un impedancímetro digital marca Omicron Lab
modelo Bode 100, de esta forma se obtuvieron los gráficos de resonancia de las cerámicas
piezoeléctricas. Posteriormente se dimensionaron y pesaron a fin de conocer su densidad. Con
esto se pudo estimar la frecuencia central de vibración de cada una de ellas y la impedancia
acústica con la ecuación (1) [2]
. Esta etapa resulta fundamental en el proceso de fabricación
por razones que se explicarán más adelante.
(1)
donde:
Z= impedancia acústica.
v=velocidad de propagación de onda en el material.
ρ=densidad del material
2.2 Selección de materiales para Backing
Después de realizar una investigación referente a los materiales utilizados para la fabricación
de Backing para transductores de ultrasonido, se seleccionó polvo de Baquelita y resina
epóxica para ser probados y seleccionar aquel que aseguraran una mayor transmisión de
energía de acuerdo a la ecuación (2) [3]
(2)
donde:
Z1= impedancia acústica medio 1.
Z2= impedancia acústica medio 2.
T = coeficiente de transmisión de energía.
Esto se realizó de la siguiente manera:
1. Se fabricaron probetas de 31.71 mm de diámetro y altura variable con cada uno de
los materiales a fin de determinar su densidad y velocidad de propagación de onda.
De esta forma se puede estimar su impedancia acústica mediante la ecuación (1).
2. Posteriormente se pegaron a las cerámicas para probar su capacidad de
amortiguamiento.
A medida que el material utilizado para el “Backing” tenga una impedancia acústica similar a
la del material piezoeléctrico, mayor cantidad de energía será transmitida hacia él, resultando
en un transductor fuertemente amortiguado que tendrá una alta resolución pero baja amplitud
de señal. Si por el contrario la diferencia entre las impedancias acústicas de estos elementos es
muy grande, mayor cantidad de energía será reflejada hacia adelante, lo que resulta en un
transductor con una gran amplitud de señal y baja resolución.
2.3 Selección de materiales para capa de acoplamiento
La selección del material para la capa de acoplamiento se basó en las propiedades acústicas
del material, por lo que se procedió de manera similar a lo explicado en la etapa (2.2)
exceptuando el inciso (2), es decir se fabricaron probetas de las dimensiones especificadas y
se caracterizaron acústicamente.
2.4 Fabricación de Transductores de ultrasonido
Los transductores de ultrasonido fueron fabricados con cerámicas de tipo piezocompuesto
PZT-5 (Plomo, Zirconio, Titanio) de ¼” de diámetro. La selección del diámetro del
transductor se tomó a en base a la necesidad de lograr transductores lo suficientemente
pequeños que permitieran un arreglo de 100 transductores dentro del Diablo. En cuanto al
criterio para la selección del tipo de cerámica, esta se basó en las especificaciones técnicas
del fabricante para procurar que el transductor soportaras las temperaturas de operación del
Diablo.
Para establecer el contacto eléctrico entre la cerámica y el exterior se utilizó hilo de cobre
esmaltado de 0.10 mm de diámetro aproximadamente, los cuales fueron soldados sobre los
electrodos del elemento piezoeléctrico.
La unión entre el elemento piezoeléctrico, el Backing y la capa de acoplamiento se logró
mediante el uso de pegamento, específicamente pegamento de tipo epóxico.
La carcasa o Housing externo se fabricó en acero inoxidable para brindarle al transductor
resistencia a la corrosión. El conector eléctrico seleccionado es de tipo Microdot 10-32.
Sintonización de la capa de acoplamiento
Esta es la etapa donde se requiere un mayor cuidado en todo el proceso de fabricación, la
sintonización del transductor debe hacerse meticulosamente, procurando no ajustar demasiado
la capa de acoplamiento.
La capa de acoplamiento debe tener un espesor de ¼ de la longitud de onda del material con
el que se fabricó [4]
en base a la frecuencia de oscilación de la cerámica (he aquí la
importancia de la etapa (2.1)). Esto se logra mediante un desbaste controlado de la misma una
vez que el transductor esta ensamblado, esto es: el desbaste de la capa de acoplamiento debe
hacerse en etapas y en cada etapa se debe observarse la forma del pulso y la curva de
impedancia del transductor, a medida que nos acercamos al espesor deseado, el gráfico de
impedancia presenta desplazamientos y desaparición de picos de resonancia, en cuanto a la
forma del pulso se observa que cada vez presentará una forma más suave y con menos
distorsión. Finalmente cuando el transductor está sintonizado (se logro un espesor en la capa
Fig. 3 Diseño experimental para pruebas térmicas de transductores fabricados en CIDESI
Fig. 2 Imágenes de las curvas de impedancia obtenidas antes y después del ajuste de la
capa de acoplamiento de un transductor de ultrasonido (curvas rojas magnitud y curvas
azules fase). (a) Antes del ajuste (b) una vez terminado el ajuste
b) a)
de acoplamiento de ¼ de λ) el gráfico de impedancia sólo debe presentar 2 picos de
resonancia, los cuales se deben a la frecuencia de máxima y de mínima impedancia de la
cerámica con la que se fabrico el transductor, tal como se muestra en la Figura 2. Para esto se
utilizo una vez más el impedancímetro digital Omicron Lab modelo Bode 100 y un
osciloscopio Digital.
2.5 Prueba de transductores fabricados en CIDESI a las condiciones de operación del
Diablo
Una vez terminados los transductores, debían ser probados a las condiciones de operación del
Diablo con el fin de asegurar su integridad, por esta razón fueron sometidos a pruebas
térmicas y de presión de la siguiente manera:
Pruebas térmicas
Los transductores fueron utilizados por inmersión tal como se observa en la figura 3, la
temperatura del medio se incremento en 5° C cada 15 min, desde los 23° C hasta los 66° C.
Una vez llegado a los 66° C se realizó una prueba de 8 horas ininterrumpidas a esta
temperatura, de esta manera se asegura la integridad de los transductores a la temperatura de
trabajo. La temperatura en el medio se mantuvo homogénea mediante una bomba de agua.
Los datos fueron adquiridos con un emisor receptor de ultrasonido Marca Ultratek modelo
USB-UT350.
a) b)
)
Fig. 4 a) Diseño experimental para pruebas presostáticas de transductores fabricados en
CIDESI. b) Manómetro con el que se mide la presión dentro del cilindro
Manómetro
Transductor Tarjeta
pulsador
a
Cilindro
Hidráulico
Pruebas de Transductores a altas presiones
Los transductores fueron sometidos a presiones hidrostáticas que variaron desde 300 psi hasta
llegar a una presión de 1650 psi (el incremento fue de 50 psi en cada paso), en cada
incremento el transductor permaneció trabajando por periodos de una hora, excepto a la
presión de 1650 psi donde el transductor permaneció trabajando ininterrumpidamente por 3
horas. Esto se logró de la siguiente manera: gracias a una modificación en un cilindro
hidráulico con una capacidad máxima de presión de 6000 psi fue posible acoplar los
transductores de ultrasonido al mismo, posteriormente se incremento la presión interna del
cilindro, sometiendo a su vez a los transductores a la misma presión dentro del cilindro, con
una tarjeta pulsador Marca Ultratek modelo USB-UT350 fueron obtenidos los datos de los
pulsos de los transductores.
2.6 Comparación entre transductores ultrasónicos fabricados en CIDESI y comerciales
Con el fin de obtener una estimación de la calidad de los transductores fabricados en CIDESI
se estableció una comparación de la longitud de pulso, ancho de banda (BW por sus siglas en
ingles), Amplitud y Relación señal ruido (SNR por sus siglas en ingles). Todas las medidas se
realizaron según lo especificado en la norma ASTM E 1065. El ancho de banda de un
transductor se calcula como se muestra a continuación con la ayuda la ecuación (3) y (4) [5]
.
(3)
Donde fc (frecuencia central) se puede
calcular de la siguiente manera:
(4)
Am
pli
tud
Fig. 5 Curva típica de ancho de banda
para un transductor de ultrasonido
Am
pli
tud
Frecuencia (MHZ)
Fig. 6 Método de caída de 20 dB para determinar la longitud de
pulso de un transductor de ultrasonido
Para determinar la longitud de pulso de un transductor de ultrasonido se procede según se
muestra en la Figura 6 [5]
, Se seleccionan los picos de máxima y mínima amplitud, a partir de
ellos con la ayuda de la ecuación (5) se realiza una caída de amplitud de -20 dB y se trazan
líneas horizontales en los valores correspondientes a la caída de -20 dB. Por último todo lo
que crucen estas líneas horizontales se consideran parte del pulso [5]
.
(5)
donde:
ΔdB= Variación de decibeles.
A1= Amplitud inicial.
A2= Amplitud final.
La relación señal ruido (SNR) de un transductor de ultrasonido es el nivel de amplitud que
separa la señal proveniente de un reflector con el ruidos de fondo y se calcula mediante la
siguiente ecuación [6]
(6)
donde:
SNR = Relación señal ruido.
Vseñal= Amplitud de señal proveniente de un reflector.
Vruido= Amplitud de ruido de fondo.
Todos los datos obtenidos para esta comparación se tomaron con los mismos parámetros de,
ganancia, frecuencia de repetición de pulso (PRF) y Voltaje de excitación, no se utilizo
ningún tipo de filtro ni amplificador.
3. Resultados y análisis
En este capítulo se presentan de manera resumida los resultados más relevantes obtenidos en
cada una de las etapas del desarrollo experimenta (inciso 2. del presente trabajo), de igual
manera se discuten los resultados obtenidos en cada etapa.
Tabla 1 Valores obtenidos para cerámica PZT-5 de 5 MHz
Fig. 7 Curva de impedancia de una cerámica
piezocompuesta PZT-5 de 5 MHz
3.1 Caracterización de cerámicas piezoeléctricas
En la tabla 1 se muestran los valores obtenidos para cada una de las cerámicas utilizadas en el
presente trabajo, como se dijo en líneas anteriores las cerámicas seleccionadas son del tipo
piezocompuesto PZT-5. El pesado de las mismas se hizo con una balanza de alta precisión, la
caracterización de las cerámicas permitió conocer propiedades de gran importancia, como es
el caso de la impedancia acústica, la cual nos permite predecir qué materiales pudieran ser
utilizados en la fabricación del transductor y cuáles no.
En la figura 7 se observa un gráfico de impedancia típico de una cerámica piezocompuesta,
este gráfico corresponde a la cerámica Nº (5) de las caracterizadas, nótese que el mismo posee
solo dos picos uno para la frecuencia de mínima impedancia y otro de máxima impedancia, lo
que indica que esta cerámica solo tiene un modo de vibración, se trata de el modo espesor.
Esta característica de tener un sólo modo de vibración es lo que hace especial a las cerámicas
del tipo piezocompuesta, ya que las mismas al estar embutidas en una resina amortiguan las
vibraciones en el llamado modo radial, el cual genera picos eléctricos que se transforman
finalmente en ruido.
3.2 Selección de materiales para Backing
Después de realizadas las pruebas se seleccionó para la fabricación de las contramasas polvo
de Baquelita, el cual posee una densidad de 1.4 g/cm3 (dato proporcionado por el fabricante),
Fig. 8 Curva de impedancia de una cerámica piezocompuesta
PZT-5 de 5 MHz con y sin Backing (curva azul cerámica
sola, curva verde cerámica con Backing)
dicho polvo fue sometido a un proceso de molienda obteniéndose una granulometría
aproximada a los 60 μm, posteriormente se introdujo en un molde y se logró la forma
compacta deseada para el Backing o contramasa por termo-endurecido. Una vez endurecido
este material tiene una impedancia acústica de 4.65*106 Kg m
2/s y una velocidad de
propagación de onda de 3000 m/s, este valor de impedancia acústica obtenido es cercano al
obtenido para la cerámica piezoeléctrica (13.855*106
Kg m2/s). En la figura 8 se puede
apreciar el efecto que tiene el “Backing” de Baquelita una vez unido a la cerámica
piezoeléctrica, se observa una disminución en la amplitud de las frecuencias de máxima y
mínima impedancia una vez que el “Backing” está unido a la cerámica, lo que se traduce en
un amortiguamiento en la oscilación de la misma.
Una vez obtenidos estos resultados también se fabricaron contramasas mezclando polvo de
tungsteno y polvo de Baquelita con la finalidad de obtener un material que ofreciera un mayor
amortiguamiento a la oscilación del elemento piezoeléctrico, lo que originaría un transductor
de ultrasonido con mayor resolución. Los resultados obtenidos con cada uno de estos
materiales se muestran más adelante.
3.3 Selección de materiales para la capa de acoplamiento
El material seleccionado para la capa de acoplamiento en la fabricación del transductor de
ultrasonido fue polvo de Baquelita. Este material fue seleccionado por las siguientes razones:
Dureza: una vez endurecido el polvo de Baquelita presenta una alta dureza, lo que lo hace
ideal para proteger el elemento piezoeléctrico contra ralladuras o la erosión.
Químicamente estable: la estabilidad química de este material nos permite asegurar que la
capa de acoplamiento no sufrirá ningún tipo de corrosión, o reacción con los medios que
estará en contacto.
Fig. 9 Señal de un transductor de ultrasonido fabricado en
CIDESI trabajando a una temperatura de 60º C
Estabilidad térmica: la Baquelita es una resina Fenólica termo endurecida que además posee
la característica de ser termo fija, lo que asegura que la misma no sufrirá ningún tipo de
cambio con la temperatura de operación del diablo.
Propiedades acústicas: La impedancia de la Baquelita (4.65*106 Kg m
2/s) es intermedia entre
la impedancia acústica de la cerámica (13.855*106
Kg m2/s) y el agua (1.48*10
6 Kg m
2/s)
[2],
lo que nos asegura una buena transmisión de energía.
3.4 Prueba de transductores fabricados en CIDESI a las condiciones de operación del
Diablo
Los resultados obtenidos en las pruebas a las cuales fueron sometidos los transductores con el
fin de comprobar si estos soportan las condiciones de operación del Diablo se muestran a
continuación:
Pruebas térmicas
Después de someter los transductores a las pruebas térmicas antes mencionadas, se pudo
constatar que estos resisten las temperaturas de operación del Diablo. Los transductores no
sufrieron ningún cambio permanente o temporal. La forma del pulso y el ancho de banda
permanecieron sin ningún tipo de alteración. La figura 9 muestra la señal obtenida de un
transductor de 5.0 MHz fabricado en CIDESI durante su prueba a una temperatura de 60º C.
Prueba de transductores a altas presiones
Los primeros transductores fabricados en CIDESI no resistían las presiones de operación del
Diablo, los mismos colapsaban a presiones inferiores a los 800 psi. El problema radicaba en el
espacio ocupado por aire dentro del transductor en la parte posterior del Backing, ya que de
no existir algo que impida el desplazamiento de los elementos internos estos seden ante la
presión ocasionando que el transductor se descomponga. Una alternativa que dio buen
resultado fue rellenar este espacio con resina epóxica, la cual una vez solidificada se torna en
un sólido bastante resistente, este hecho sumado a la adherencia que forma con las paredes
internas de la carcasa del transductor debido a la naturaleza característica de este tipo de
materiales, le otorga a los transductores una resistencia a la presión considerable.
La figura 10 muestra las señales obtenidas de un transductor sometido a presiones de 100 psi
y 1650 psi, se puede apreciar que no existe prácticamente ninguna variación significativa en la
forma del pulso ni en el ancho de banda, las pequeñas diferencias que existen se deben al
cambio de propiedades del fluido debidas a la presión interna. El transductor no sufrió ningún
tipo de daño y mantuvo sus propiedades antes y después de la prueba.
3.5 Comparación entre transductores ultrasónicos fabricados en CIDESI y comerciales.
Los resultados de la caracterización de los transductores fabricados y los comerciales se
muestra a continuación, posteriormente se muestra una tabla resumen con los datos más
importante de cada uno de ellos con el fin de establecer comparación entre el rendimiento de
los transductores comerciales y los fabricados en CIDESI. El transductor comercial
seleccionado para establecer la comparación es un transductor de la marca Panametrics de
banda ancha de ¼” de diámetro y frecuencia de 5.0 MHz
Fig. 10 Caracterización de un transductor de ultrasonido 5.0 MHz fabricado
en CIDESI a presión de 100 psi y 1650 psi durante una prueba de presión
Señal obtenida
1650 psi
Ancho de banda Forma del Pulso
Ancho de banda Forma del Pulso
Señal obtenida
100 psi
La figura 11 muestra el pulso y el ancho de banda obtenido del transductor comercial, se
puede observar que la forma del pulso no presenta distorsión y que es un pulso de relativa
poca amplitud. Este transductor tiene buena SNR (34.51 dB) y un ancho de banda de 110.22%
lo que lo convierte en un transductor de banda ancha.
Amplitud
Max
Amplitud
Min
Amplitud
Total
(Max-Min)
Longitud de
pulso
(-20 dB)
7.5100 12.4900 20 0.715 µs
Resolución
Max
(en Acero)
Ancho de
Banda
(-6db)
SNR
(Amplitud)
SNR
(dB)
2.10 mm 110.22 %
53.1902 34.5166
Amplitud
Max
Amplitud
Min
Amplitud
Total
(Max-Min)
Longitud de
pulso
(-20 dB)
63.0637 -75.9363
139 1.47 µs
Resolución
Max
(en Acero)
Ancho de
Banda
(-6db)
SNR
(Amplitud)
SNR
(dB)
4.33 mm 63.47 %
302.3549 49.6103
Forma de Pulso
Ancho de banda
Fig. 11 Caracterización transductor comercial de 5.0 MHz, Los datos mostrados
en los cuadros se desprenden de las gráficas
Forma de Pulso
Ancho de banda
Fig. 12 Caracterización fabricado en CIDESI de 5.0 MHz con Backing de
Baquelita, Los datos mostrados en los cuadros se desprenden de las gráficas
Los resultados obtenidos en la caracterización del transductor de 5.0 MHz con Backing de
baquelita se observan en la figura 12, donde podemos observar que la forma de este pulso es
más larga comparada con la del transductor comercial. El ancho de banda de este transductor
es de 63.47% (banda media) con una gran amplitud de señal, lo que lo convierte en un
transductor con alta sensibilidad.
Por último se muestran los resultados obtenidos en la caracterización del transductor de 5.0
MHz con Backing compuesto (mezcla de polvo de baquelita y polvo de Tungsteno), en la
figura 13 se observa que se trata de un pulso corto, ligeramente mayor al del transductor
comercial. Este transductor posee un ancho de banda de 124% (Banda ancha) y una muy alta
amplitud de señal de pulso comparado con el transductor comercial, esto sumado a la buena
SNR que posee este transductor (49.22 dB) nos permite decir que es el transductor que
presenta una mejor respuesta de los tres, ya que posee un capacidad de resolución similar a la
del transductor comercial y un gran sensibilidad.
Amplitud
Max
Amplitud
Min
Amplitud
Total
(Max-Min)
Longitud de
pulso
(-20 dB)
58.9426 -74.0574 133 1.005 µs
Resolución
Max
(en Acero)
Ancho de
Banda
(-6db)
SNR
(Amplitud)
SNR
(dB)
2.95 mm 124%
289.1304 49.2219
Fig. 13 Caracterización fabricado en CIDESI de 5.0 MHz con Backing de
Baquelita y Tungsteno, Los datos mostrados en los cuadros se desprenden de las
gráficas
Forma del Pulso
Ancho de banda
Tabla 2 Cuadro comparativo entre las respuestas de un transductor
comercial y transductores fabricados en CIDESI, 5.0 MHz
Los resultados obtenidos demostraron la influencia que tienen los elementos principales de un
transductor (Backing, capa de acoplamiento y elemento piezoeléctrico) en la respuesta del
mismo. Los transductores fabricados en CIDESI poseen una mayor relación amplitud señal y
SNR comparados con el transductor comercial, sin embargo es este último quien posee la
mejor resolución de los tres. El transductor que logró una mayor amplitud de señal y SNR
(139 Mb y 49.61 dB respectivamente) fue el fabricado con un Backing únicamente de
Baquelita, sin embargo es el que tiene una longitud de pulso mayor, lo que se traduce en una
baja resolución. Este tipo de transductor puede resultar ideal para aplicaciones donde el
material o el medio presente una alta atenuación y la resolución no sea de gran importancia.
Por otra parte prestando atención a los valores obtenidos del transductor que se fabrico con un
Backing hecho a partir de una mezcla de polvo de Tungsteno y Baquelita, podemos decir que
es este el que mejor prestaciones ofrece de los tres, ya que tiene una alta amplitud de señal
(133 Mb) y una buena SNR (49.22 dB) sin sacrificar en gran medida la resolución del mismo,
de hecho este transductor pose una longitud de pulso similar a la del transductor comercial
(1.005 µs y 0.715 µs respectivamente), ocasionando que estos dos tengan capacidades de
resolución similares (2.95 mm y 2.1 mm respectivamente)
Amplitud Longitud de
pulso (µs)
Resolución
Max en Acero
(mm)
Ancho de
banda (%)
SNR (dB)
Transductor
comercial 5.0
MHz
20 0.715 2.1 110.22 34.5166
CIDESI Backing
con Tungsteno
5.0 MHz
133 1.005 2.95 124 49.2219
CIDESI Backing
de Baquelita 5.0
MHz
139 1.47 4.33 63.47 49.6103
A) B)
Fig. 14 Fotografía de un Transductor fabricado en CIDESI (A) y un transductor
Panametrics (B). Ambos de ¼” de diámetro y 5.0 MHz de frecuencia
4. Conclusiones
El polvo de Baquelita mezclado con polvo de Tungsteno representa una gran alternativa para
la fabricación de Backing en la construcción y diseño de transductores de ultrasonido, ya que
el mismo demostró tener una influencia positiva en la respuesta de los transductores.
Otro aspecto importante es el logrado desde el punto de vista de la aplicabilidad de los
transductores, específicamente en el incremento a la resistencia a la presión, ya que se pudo
demostrar el efecto que tiene no llenar el espacio ocupado por aire dentro de los transductores,
ya que de no hacerlo su resistencia a presiones externas se ve mermada significativamente.
Esto último sumado a la estabilidad que presentaron a las temperaturas de funcionamiento del
Diablo, dan la posibilidad de que sean aplicados en el mismo.
Se pudo constatar experimentalmente la gran influencia que tienen los elementos no activos,
específicamente el Backing, en la respuesta de los transductores de ultrasonido.
Por último, el presente trabajo representa la posibilidad a investigadores, inspectores y
personal ligado a los ensayos no destructivos la posibilidad de crear transductores de
ultrasonido para aplicaciones especiales.
Agradecimientos
Este trabajo fue financia por el proyecto QI-0038 del Centro de Ingeniería y Desarrollo
Industrial (CIDESI).
Referencias
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Ductos Terrestres para Transporte y Recolección de Hidrocarburos, comité de
normalización de petróleos mexicanos y organismos subsidiarios, Vol. 1, Nº 1, pp.
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3. R Baldev R, Rajendran V, Palanichamy P. “Sciencie and Technology of Ultrasonic”
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