INTRODUCCION

Durante la historia y el desarrollo de la tecnologa que el hombre ha desarrollado para mejorar la calidad y eficiencia de los materiales utilizados en cualquier industria, el ultrasonido ha sido un base o forma eficaz de analizar y desarrollar mediciones y probar el comportamiento de distintos materiales, a continuacin ser explicado paso a paso el manejo que se le ha tenido al ultrasonido y las diferentes ventajas que este ha tenido con la humanidad

En primer caso explicaremos su definicin y su propsito en la industria, despus se desarrollara las capacitaciones, calificaciones y certificacin del personal que utiliza este mtodo para desarrollar mediciones.

El presente trabajo est desarrollado para cubrir la necesidad de un curso completo, que contenga, adems de las bases tericas de la tcnica de inspeccin por ultrasonido industrial, un materia visual, que le permita al futuro tecnlogo el petrleo y gas, entender completamente los principios y aplicaciones de esta tcnica. Tambin est diseado para ser un apoyo bibliogrfico para cualquier tipo de estudiante que est interesado en aprender sobre el ultrasonido.

Otro punto importante que cubre esta investigacin es la difusin de tecnologa actual en ultrasonido, que en pases avanzados como Estados Unidos es marcada no solo por la empresas que venden equipos o prestan servicios de inspeccin, sino tambin por parte de instituciones educativas.

La retrospectiva de la investigaciones hacer nfasis en los principios bsicos que desarrolla la fsica en la industria, adems de explicar claramente su funcionamiento y aportes que tiene en esta industria.

Para los siguientes captulos y nfasis que se desea desarrollar la necesidad de contar con material adecuado para programar un buen aprendizaje es que en este trabajo el material visual y terico sea muy explcito en donde toque las medidas importantes, ya que a las personas que va dirigido este material no tiene el suficiente conocimiento para profundizar este tema.

INDICEFUNDAMENTOS TEORICOS1 ULTRASONIDO INDUSTRIAL1.1 PRINCIPIOS BASICOS

1.2 FISICA DEL ULTRASONIDO1.2.1 ONDAS MECANICAS1.2.2 PROPAGACION DE LA ONDAS MECANICAS1.2.3 LA VELOCIDAD DEL SONIDO1.2.4 IMPEDANCIA ACUSTICA1.2.5 COEFICIENTES DE TRANSMISION Y REFLEXION1.2.6 REFRACCION Y LEY DE SNELL1.2.7 CONVERSION DEL MODO1.2.8 ANGULOS CRITICOS1.2.9 ATENUACION

1.3 TRANSDUCTORES ULTRASONICOS1.3.1 CARACTERISTICAS DE LOS TRANSDUCTORES1.3.2 EFICIENCIA DEL TRANSDUCTOR, ANCHO DE BANDA Y FRECUENCIA1.3.3 CARACTERISTICAS DEL HAZ ULTRASONIDO1.3.4 DIVERGENCIA DEL HAZ ULTRASONIDO1.3.5 TIPOS DE TRANSDUCTORES

1.4 EQUIPOS ULTRASONICOS1.4.1 MEDIDORES DE ESPESORES1.4.2 DETECTORES DE FALLAS1.4.3 OTROS EQUIPOS Y SITEMAS

FUNDAMETOS PRACTICOS2 APLICACIONES PRACTICAS2.1 MEDICION DE ESPESOR DE PARED REMANENTE A TRAVES DE RECUBRIMIENTO Y DETERMINACION DE LA VELOCIDAD ACUSTICA EN MATERIALES DESCONOCIDOS MEDIANTE ULTRASONIDO 3 VIDEOS

OBJETIVOS GENERALESLa presente investigacin tiene como objetivos, recopilar la informacin necesaria para presentar un manual prctico del ultrasonido en la industria, una tcnica especializada que representa en control de calidad de los productos y componentes industriales. La idea de realizar un escrito sobre el ultrasonido, radica en la necesidad de aportar tecnologa y presentar en un formato complementario descriptivo, es decir, que aporte una visin general de la tcnica y sus principios bsicos del ultrasonido, as como de la existencia de diferentes equipos que actualmente se encuentran en el mercado.

La difusin de tecnologa actual de ultrasonido, en pases avanzados como Estados Unidos es marcada no solo por empresas que venden equipos o prestan algn tipo de servicio, sino tambin por instituciones educativas.

Otra problemtica encontrada en la imparticin actual de la capacitacin en la tcnica del funcionamiento del ultrasonido, es el alto costo de materiales para la realizacin de investigacin de desarrollo en prcticas hacia diferentes equipos.

Lo que se desea en esta investigacin y propuesta que nosotros como estudiantes queremos hacer notar, es el funcionamiento que tiene el ultrasonido en la industria petrolera, para ello se ha desarrollado un plan, con nfasis en las cosas ms Importantes y bases tericas dbiles ya que no se consta con mayor conocimiento sobre el tema.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

FUNDAMENTOS TEORICOSLAS PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS Son parte importante en el control de calidad, en la fabricacin de materiales que se sometern a distintas cargas mecnicas. Estas tambin representan un complemento de otros mtodos en el rea de mantenimiento preventivo, predictivo y productivo.Este ensayo es utilizado para encontrar discontinuidades superficiales o internas en los materiales basado en una condicin metalrgica, sin interferir con la calidad del material o su condicin que este en servicio.En las industrias como la petroqumica, transporte e infraestructura, existen agentes corrosivos}, que pueden llegar a desgastar un material, para ello se necesitan inspecciones que puedan determinar la integridad de estos. Se considera como falla de ingeniera a aquel material que se separa en varias piezas, as como la distorsin permanente que daa su geometra. La discontinuidad se considera como la falta de continuidad o cohesin en la estructura interna de un material.Se considera como defecto a aquel material con varias discontinuidades que tiene caractersticas especficas que no cumplen con un criterio de aceptacin establecido.

ULTRASONIDO INDUSTRIALEn este tipo de inspeccin se utiliza la energa del sonido a altas frecuencias para detectar discontinuidades internas en los materiales y poder hacer mediciones en el espesor del material. Tambin puede ser utilizada para las mediciones de discontinuidades, mediciones dimensionales y clasificacin de los materiales. Las ondas ultrasnicas son vibraciones mecnicas transmitidas en un medio elstico por medio de un transductor con cristal piezoelctrico excitado por un voltaje elctrico. Todas las sustancias materiales estn formadas por tomos que pueden ser forzados en el movimiento vibratorio a nivel atmico, sin embargo la mayora son irrelevantes para pruebas ultrasnicas. La acstica se concentra en los materiales que contiene muchos tomos que muevan en un unison al producto por medio de una onda mecnica. Cuando un material no se tensa o se comprime ms all de su lmite elstico sus partculas generan oscilaciones elsticas. Cuando las partculas de un medio se desplazan de sus posiciones de equilibrio se presentan fuerzas electroestticas internas.En los slidos las ondas pueden propagarse de cuatro formas diferentes, basadas en su forma de oscilacin, estas pueden ser, longitudinales, transversales, superficiales y ondas laminares. Las longitudinales y transversales son los dos mtodos ms convencionales al momento de usar este mtodo, estas ondas estn en un rango de frecuencia que va desde 0.1mhz hasta 50mhz. Dentro de los elementos que constituyen este modelo podemos encontrar el emisor/receptor que es un medidor electrnico que puede medir pulsos elctricos con lato voltaje. Excitado por el pulso elctrico el transductor genera un ultrasonido de alta frecuencia, esta energa es producida y propagada atreves en los materiales por ondas. Despus de este procedimiento si existe una discontinuidad en el material en la trayectoria de la onda, esta ser reflejada transformndose en una seal elctrica por el transductor y seria mostrada en la pantalla de este.Esta seal se grafica con el tiempo generando un barrido principal, de esta seal se puede obtener informacin sobre la localizacin del reflector, la orientacin y las otras caractersticas.

Existen cinco elementos que conforman una inspeccin ultrasnica1 -el generador de seal elctrica o equipo ultrasnico: es un cable coaxial que permite la comunicacin entre el cable y el equipo.2-transductor: es un accesorio que contiene un cristal con propiedades piezoelctricas que permiten convertir energa elctrica a mecnica o viceversa.3-acoplante: es un medio que permite el paso de ondas ultrasnicas en le transductor y la pieza que se desea analizar.4-la pieza o material inspeccionado: la dificultad de poder tomar una buena inspeccin por ultrasonido es por la resistencia que el material tenga al no dejar pasar las ondas ultrasnicas.

ONDAS MECANICASUna onda mecnica es una perturbacin de las propiedades mecnicas de un medio material (posicin, velocidad y energa de sus tomos o molculas) que se propaga en el medio. Todas las ondas mecnicas requieren:1. Alguna fuente que cree la perturbacin.2. Un medio en el que se propague la perturbacin.3. Algn medio fsico a travs del cual elementos del medio puedan influir uno al otroEl sonido es el ejemplo ms conocido de onda mecnica, que en los fluidos se propaga como onda longitudinal de presin. Por otra parte, las ondas electromagnticas no son ondas mecnicas, pues no requieren un material para propagarse, ya que no consisten en la alteracin de las propiedades mecnicas de la materia (aunque puedan alterarlas en determinadas circunstancias) y pueden propagarse por el espacio libre (sin materia).El sonido y el ultrasonido son ondas acsticas de la misma naturaleza, lo nico que las diferencia es el nmero de oscilacin o vibraciones que sufren las partculas del medio durante la propagacin, generalmente las industrias las utilizan en un rango de 0.5 a 25 MHZ.La longitud de onda es la distancia real que recorre una perturbacin (una onda) en un determinado intervalo de tiempo. Ese intervalo de tiempo es el transcurrido entre dos mximos consecutivos de alguna propiedad fsica de la onda. En el caso de las ondas electromagnticas esa propiedad fsica (que vara en el tiempo produciendo una perturbacin) puede ser, por ejemplo, su efecto elctrico (su campo elctrico) el cual, segn avanza la onda, aumenta hasta un mximo, disminuye hasta anularse, cambia de signo para hacerse negativo llegando a un mnimo (mximo negativo). Despus, aumenta hasta anularse, cambia de signo y se hace de nuevo mximo (positivo). Esta variacin del efecto elctrico en el tiempo, si la representamos en un papel, obtenemos "crestas" y "valles" (obtenemos una curva sinusoidal) pero la onda electromagntica no "tiene" crestas y valles.Frecuencia es una magnitud que mide el nmero de repeticiones por unidad de tiempo de cualquier fenmeno o suceso peridico.La velocidad de propagacin de una onda en material es nica en ese material debido a su composicin molecular y la capacidad que tiene esta para generar resistencia a la propagacin.Matemticamente la longitud de onda es directamente proporcional a la velocidad de esta e inversamente proporcional a su frecuencia.Uno de los propsitos principales de la inspeccin ultrasnica es la obtencin o hallazgo de discontinuidades, debido a esto se debe analizar muy bien qu tipo de transductor se debe utilizar para el material, debido a que para que un transductor pueda leer una seal esta debe ser mayor o igual a la mitad de la longitud de onda.

PROPAGACION DE ONDAS MECANICASLa prueba del ultrasonido se basa en el tiempo que tarda esta onda en pasar el espesor del material, generando un grafica contra la energa que se perdi. Todos los elementos que se conocen estn conformados por pquelas partculas elementales llamados tomos, los cuales pueden propagar ondas mecnicas siempre y cuando se le fuerza a vibrar dentro de sus lmites de equilibrio las fuerzas de restauracin elsticas de las partculas permiten esta propagacin.Para el estudio de la propagacin de las ondas solo se estudiaran las ondas longitudinales y transversales ya que son las ms comunes utilizadas en la industria.Ondas longitudinales: Una onda longitudinal es una onda mecnica en la que el movimiento de oscilacin de las partculas del medio es paralelo a la direccin de propagacin de la onda. Las ondas longitudinales reciben tambin el nombre de ondas de presin u ondas de compresin.Ondas transversales: Una onda transversal es una onda en la que cierta magnitud vectorial presenta oscilaciones en alguna direccin perpendicular a la direccin de propagacin. Para el caso de una onda mecnica de desplazamiento, el concepto es ligeramente sencillo, la onda es transversal cuando las vibraciones de las partculas afectadas por la onda son perpendiculares a la direccin de propagacin de la onda. Las ondas electromagnticas son casos especiales de ondas transversales donde no existe vibracin de partculas, pero los campos elctricos y magnticos son siempre perpendiculares a la direccin de propagacin, y por tanto se trata de ondas transversales.

VELOCIDAD DEL SONIDO La velocidad del sonido es la dinmica de propagacin de las ondas sonoras. En la atmsfera terrestre es de 343m/s (a 20C de temperatura, con 50% de humedad y a nivel del mar). La velocidad del sonido vara en funcin del medio en el que se trasmite. Dado que la velocidad del sonido vara segn el medio, se utiliza el nmero Mach 1 para indicarla. As un cuerpo que se mueve en el aire a Mach 2 avanza a dos veces la velocidad del sonido en esas condiciones, independientemente de la presin del aire o su temperatura.La velocidad o dinmica de propagacin de la onda sonora depende de las caractersticas del medio en el que se realiza dicha propagacin y no de las caractersticas de la onda o de la fuerza que la genera. Su propagacin en un medio puede servir para estudiar algunas propiedades de dicho medio de transmisin.Por supuesto el sonido viaja a diferentes velocidades en los materiales esto gracias a la masa de los tomos y su coeficiente de elasticidad son nicos para cada material, para los slidos la velocidad est dada por:

Para calcular la velocidad de una onda longitudinal se utiliza comnmente el modulo de Young y el coeficiente de Poisson. Para ondas transversales se conviene hacer los clculos por, medio del coeficiente de Lame, que se derivan de los descritos anteriormente. En el agua (a 25C) es de 1493m/s. En la madera es de 3700m/s. En el hormign es de 4000m/s. En l acero es de 6100m/s. En el aluminio es de 6400m/s.

IMPEDANCIA ACUSTICA

La impedancia acstica (Z) es una propiedad de estado intensiva. Es la resistencia que opone un medio a las ondas que se propagan sobre este y por lo tanto es equivalente a la impedancia elctrica, es decir una forma de disipacin de energa de las ondas que se desplazan en un medio. Se define como la razn entre la presin sonora (p) y la velocidad de las partculas (v) de un medio material.

La impedancia caracterstica de un material puede calcularse como el producto entre la densidad () y la velocidad del sonido(c) en el material (c = 344 m/s, nicamente cuando las ondas sonoras se propagan en el aire, no cuando se propagan en otros materiales como cuerdas o barras).

El nombre de 'impedancia acstica' viene de la analoga con la ley de ohm de teora de circuitos, con lo que se enuncia una 'ley de Ohm acstica', en la que la juega el papel de un potencial elctrico y la velocidad v el de una corriente.Otra relacin til es:

Donde J es la intensidad sonora y juega un papel anlogo a aquel de la potencia elctricaEsta es importante en tres aspectos que son:

1- La determinacin de la transmisin y reflexin en el lmite de dos materiales que tiene diferentes impedancias acsticas2- El diseo de transductores ultrasnicos3- La determinacin de la absorcin del sonido en un medio

COEFICIENTE DE TRANSMISION Y REFLEXION

El coeficiente de reflexin y transmisin es utilizado en fsica y en Ingeniera cuando se consideran medios con discontinuidades en propagacin de ondas. Un coeficiente de reflexin describe la amplitud (o la intensidad) de una onda reflejada respecto a la onda incidente.Las ondas ultrasnicas se reflejan en donde hay un una diferencia de las impedancias acsticas de los materiales en cada limite, a estos lmites se les llama interfaces acsticas. Cuanto mayor es el mal acoplamiento en los materiales mayor ser el porcentaje de energa que ser reflejada en el interfaz de un lmite de un medio a otro, para esto se conocen las impedancias acsticas de los materiales en ambos limites denotando la intensidad de la onda incidente a esto se le llama como coeficiente de reflexin.Para la relacin de la onda que es transmitida a un segundo medio y el total de la energa incidente se conoce como coeficiente de transmisin.

REFRACCION Y LEY DE SNELLLa refraccin es el cambio de direccin que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separacin de los dos medios y si estos tienen ndices de refraccin distintos. La refraccin se origina en el cambio de velocidad de propagacin de la onda sealada.En la refraccin se cumplen las leyes deducidas por Huygens que rigen todo el movimiento ondulatorio: El rayo incidente, el reflejado y el refractado se encuentran en el mismo plano. Los ngulos de incidencia y reflexin son iguales, entendiendo por tales los que forman respectivamente el rayo incidente y el reflejado con la perpendicular (llamada Normal) a la superficie de separacin trazada en el punto de incidencia.Para esto existe una ecuacin que relacin los ngulos y medios en que se propaga la onda y se conoce como ley de snell y es:La relacin entre el seno del ngulo de incidencia y el seno del ngulo de refraccin es igual a la razn entre la velocidad de la onda en el primer medio y la velocidad de la onda en el segundo medio, o bien puede entenderse como el producto del ndice de refraccin del primer medio por el seno del ngulo de incidencia es igual al producto del ndice de refraccin del segundo medio por el seno del ngulo de refraccin, esto es:

: ndice de refraccin del primer medio : ngulo de incidencia : ndice de refraccin del segundo medio : ngulo de refraccin

CONVERSION DEL MODOLa conversin del modo ocurre cuando la una onda encuentra una interfaz entre los materiales de diferentes impedancias acsticas y el ngulo incidente no es normal a la interfaz, esta interfaz entre los materiales con lleva diferentes velocidades en las transmisin en los materiales, ya que cuando ms grande en la diferencia de velocidad en los, materiales ms se refracta la onda.

ANGULOS CRITICOSCuando una onda longitudinal se mueve con mayor velocidad que otra dentro de un material esta hace que el ngulo de incidencia genere un ngulo de refraccin de 90 grados, que se conoce como el primer ngulo critico. Por otro lado el ngulo de incidencia alfa necesario para refractar una onda de corte a 90 grados tiene el nombre de segundo ngulo crtico.La mayora de las inp0ecciones con haz angular se hace con el primer y segundo ngulo crtico, porque solo se propagan ondas de corte en estos materiales. ATENUACIONCuando el, sonido viaja atreves de un medio su intensidad disminuye con la distancia, los materiales producen un efecto en la onda que debilita el sonido mientras se encuentra ms lejos, esto generado por un dispersin y absorcin, en donde la dispersin es la reflexin del sonido en otras direccin diferentes a su original propagacin. La absorcin es la conversin de energa ultrasnica a otros tipos de energa, este efecto combinado da como resultado una atenuacin.La atenuacin en un material a menudo no es de inters intrnseco. La atenuacin sirve como herramienta de medicin que conduce la formacin de teora que sirve para explicar un fenmeno que disminuye la intensidad ultrasnica.La atenuacin es proporcional al cuadrado de la frecuencia, estos se dan a menudo por una sola frecuencia, o puede ser un promedio, este valor es altamente dependiente de la manera por el cual el material es manufacturado, mostrando que los valores de la atenuacin son valores aproximados.La atenuacin se puede determinar las mltiples reflexiones de pared superior consideras por el barrido A, explicado anteriormente. El nmero de decibeles entre dos seales adyacentes se mide y este valor se divide por el intervalo de tiempo, este clculo produce un coeficiente de atenuacin en decibeles por unidad de tiempo.

TRANSDUCTORES ULTRASONICOSLos transductores de ultrasonidos miden el caudal por diferencia de velocidades del sonido al propagarse ste en el sentido del fluido y en el sentido contrario. Los sensores estn ubicados en una tubera de la que se conocen el rea y el perfil de velocidades. Los principios de funcionamiento de estos instrumentos son variados. En uno de los modelos ms sencillos la velocidad del fluido est determinada por la siguiente formula:en la que:V = Velocidad del fluido;C = velocidad del sonido en el fluido;= ngulo de haz del sonido con relacin al eje longitudinal de la tubera;D = dimetro de la tubera. t = diferencia entre los tiempos de trnsito del sonido aguas arriba y aguas abajo del fluido.Este tipo de sensores ultrasnicos se denominan de tiempo de trnsito.La conversin de pulsos elctricos a vibraciones mecnicas y la conversin de vibraciones mecnicas a pulsos elctricos, nuevamente, es la base para la prueba ultrasnica. El elemento activo, es el corazn del transductor, pues convierte la energa elctrica en energa mecnica y viceversa.Bsicamente es un pedazo de material polarizado con dos electrodos unidos a sus caras opuestas. Cuando un carga elctrica se aplica atreves de un material las molculas polarizadas se alinearan a su carga elctrica dando como resultado dipolos inducidos dentro de la estructura molecular o cristalina del material. Este proceso se conoce como electrostriccin, adems un material permanente polarizado tal como el cuarzo o el titanio producirn carga cuando el material cambie sus dimensiones, como resultado a una fuerza mecnica. Este fenmeno se conoce como efecto piezoelctrico.El espesor del elemento activo es determinado por la frecuencia deseada del transductor. Un elemento fino vibra con una longitud de onda que es dos veces su espesor. Por lo tanto los cristales piezoelctricos se cortan a un espesor que sea de medida de longitud de onda deseada.

CARACTERISITICAS DE LOS TRANSDUCTORESEs parte muy importante en el sistema ultrasnico de instrumentacin. Este contiene un elemento piezoelctrico que convierte seales elctricas en vibraciones mecnicas. Muchos factores incluyendo el tipo de material influyen el comportamiento que tenga el transductor. Algn parmetro que incluye la construccin de estos dispositivos se debe a su rea superficial, amortiguamiento mecnico, el contenedor de cristal, el tipo de conector y otra variable de construccin fsica.El material de respaldo se apoya en el cristal que tiene una gran influencia en las caractersticas de amortiguamiento de un transductor. Usar un material de respaldo con una impedancia similar a la del elemento activo y el material de respaldo incrementa la capacidad de penetracin pero la sensibilidad es reducida.Por lo tanto se establece que si aumenta la frecuencia de un transductor, aumenta tambin su sensibilidad, pero disminuye su penetracin.EFICIENCIA DEL TRANSDUCTOR, ANCHO DE BANDA Y FRECUENCIAAlgunos transductores se fabrican especialmente para ser transmisores ms eficientes y otros para ser receptores ms eficientes. Un transductor funciona bien en una aplicacin no producida siempre los resultados deseados en una aplicacin diferente. Como la sensibilidad que es la capacidad de detectar discontinuidades lo ms pequeas posibles, siendo proporcional al producto de la eficiencia del transductor como transmisor y receptor. La resolucin requiere un transductor altamente amortiguado, esta se puede entender de dos maneras diferentes, la primera es la resolucin cercana, que se refiere a la habilidad del sistema de inspeccin para detectar discontinuidades localizadas cerca de la superficie de entrada y la segunda es la resolucin lejana que es la habilidad del sistema de inspeccin de separar dos o ms ecos de discontinuidades cercanas entre s en distancia.El concepto de ancho de banda o de una gama de frecuencias, es asociada a un transductor, en donde se define como aquellas parte de la frecuencia de respuesta, que cae dentro de los limites dados. El ancho de banda se expresa como un porcentaje. La frecuencia conocida en un transductor es la frecuencia central y depende sobre todo del el material de respaldo. Los transductores altamente amortiguados respondern a las frecuencias sobre y debajo de la frecuencia central.

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