Introducción al Medidor de Espesor por Ultrasonido

La medición ultrasónica de espesores es una técnica de ensayo no destructivo para la cual no es necesario cortar ni seccionar el material. Se trata de una método rápido, fiable y versátil que, a diferencia del uso de un micrómetro o un calibre, requiere el acceso a solamente una pared de la pieza a medir. Es por ello que se usa ampliamente para determinar el espesor de materiales como, por ejemplo, caños, tubos, válvulas, tanques, calderas y otros recipientes a presión, cascos navales o cualquier material sujeto a la corrosión y el desgaste.

Los primeros medidores ultrasónicos comerciales usaban principios derivados del sonar y se introdujeron en el mercado hace unos 65 años. Los instrumentos pequeños y portátiles, optimizados para una amplia variedad de aplicaciones se hicieron comunes en los años ‘70. Sin embargo, avances posteriores en la tecnología de microprocesadores condujeron a nuevos niveles de performance en los sofisticados instrumentos en miniatura y fáciles de usar que tenemos actualmente a nuestro alcance.

¿Qué se puede y qué no se puede medir por ultrasonido?

Prácticamente cualquier material común de ingeniería se puede medir por ultrasonido. Por ende, es posible configurar medidores de espesor por ultrasonido para metales, plásticos, materiales compuestos, fibra de vidrio, cerámica y vidrio. Frecuentemente, también se puede efectuar la medición en línea o en proceso de plásticos extruidos y metal laminado, así como de capas o recubrimientos individuales en fabricaciones multicapa. Otra aplicación interesante de estos dispositivos es la medición de niveles de líquidos y muestras biológicas.

Los materiales que generalmente no son adecuados para la medición ultrasónica convencional son aquellos que presentan una transmisión deficiente de las ondas sonoras de alta frecuencia, como por ejemplo, madera, papel, hormigón y productos porosos, por ejemplo, espumas. Antes de medir superficies rugosas conviene lijarlas con amoladora hasta lograr un acabado liso. Por otra parte, si se miden superficies con capas gruesas de pintura es aconsejable raspar y luego medir, o bien, descontar el espesor de la pintura de la lectura obtenida.

¿Cómo funcionan los medidores de espesor por ultrasonido?

El ultrasonido es la energía del sonido a frecuencias que sobrepasan el límite del oído humano. La mayoría de las pruebas de ultrasonido se realizan en el rango de frecuencia entre 500 KHz y 20 MHz, aunque algunos instrumentos especializados pueden operar a 50 KHz o menos y a 100 MHz o más.

El funcionamiento de los medidores de espesor por ultrasonido se basa en determinar con gran precisión lo que se denomina tiempo de vuelo, es decir, el tiempo que tarda un pulso de sonido generado por una pequeña sonda llamada transductor ultrasónico en atravesar una pieza y regresar al dispositivo. El transductor contiene un elemento piezoeléctrico que es excitado por un impulso eléctrico corto para generar una ráfaga de ondas ultrasónicas. Estas se acoplan dentro del material y lo atraviesan hasta que encuentran una pared posterior u otro límite. Luego, las reflexiones vuelven hacia el transductor, que convierte la energía acústica en energía eléctrica. Vemos una representación del fenómeno en la siguiente figura, donde se utiliza, de los muchos disponibles, un transductor de doble elemento (transmisor/receptor).

¿Cómo funciona un medidor de espesor por ultrasonido?

Normalmente, el tiempo de vuelo es de sólo unas pocas millonésimas de segundo. El medidor de espesor se programa con la velocidad de propagación del sonido en el material (dato que se encuentra fácilmente en, por ejemplo, los propios manuales del usuario de estos dispositivos o incluso incorporado como tabla en el mismo aparato) y el espesor se calcula automáticamente con la siguiente relación matemática:

T = (V) x (t/2)

donde:

T = espesor de la pieza

V = velocidad de propagación del sonido en el material

t = tiempo de vuelo medido

Cabe señalar que la velocidad del sonido en el material es una parte esencial de este cálculo. Materiales diferentes transmiten ondas sonoras a velocidades diferentes, generalmente a mayor velocidad en materiales duros y a menor velocidad en materiales blandos. Además, la velocidad del sonido puede cambiar significativamente con la temperatura. Por lo tanto, siempre es necesario calibrar el medidor a la velocidad del sonido del material a medir, ya que la precisión estará determinada por esta calibración.

Los medidores de espesor por ultrasonido vienen calibrados de fábrica para una serie de materiales comunes. También es posible almacenar calibraciones para materiales y transductores diferentes y luego recuperarlas cuando sea necesario. Cada vez que se cambie de material o de transductor, o si la temperatura del material cambia significativamente, debe efectuarse una calibración siguiendo las instrucciones del fabricante. Es recomendable efectuar calibraciones periódicas con muestras de espesor conocido para verificar el correcto funcionamiento del medidor, especialmente en aplicaciones críticas.

Puesto que las ondas sonoras en el rango de los MHz no se desplazan eficientemente en el aire, se usa una gota de líquido acoplante entre el transductor y la pieza para obtener una buena transmisión del sonido. Los acoplantes comunes son glicerina, propilenglicol, agua, aceite y geles, y se proveen con el kit del instrumento. Sólo se necesita una pequeña cantidad de acoplante, suficiente para llenar el espacio de aire extremadamente delgado que de otro modo existiría entre el transductor y la pieza.

Partes que componen un Medidor de Espesor por Ultrasonido

Si bien en el mercado podemos encontrar una diversidad de modelos con distintas funciones y diversas aplicaciones, como veremos más adelante, en la figura de abajo detallamos un medidor básico con sus partes principales.

Partes de un Medidor de Espesor por Ultrasonido

Las pantallas son de cristal líquido, ofrecen lecturas de 3 o 4 dígitos, tanto en unidades del sistema métrico como imperial, y cuentan con la función de retroiluminación. Algunas presentan solamente la lectura del espesor, mientras que otras (las más sofisticadas) pueden incorporar también la representación en tiempo real de la forma de las ondas ultrasónicas, tal como vemos en la figura siguiente.

Funcionamiento Medidor de Espesor por Ultrasonido

Las teclas de selección del material y de velocidad permiten realizar mediciones de espesor conociendo ya sea el tipo de material o la velocidad del sonido en ese material, respectivamente.

Una interfaz USB o RS232 (dependiendo del modelo) permite exportar a una computadora los datos almacenados en la memoria del dispositivo. Generalmente esta función se acompaña con un software provisto por el fabricante, con el que se pueden guardar y exportar mediciones, analizar estadísticas, generar gráficos y redactar e imprimir informes.

Los medidores funcionan con energía provista por pilas AA de 1,5 V o bien con pilas recargables de NiCad de 6 V. Según el modelo y el fabricante pueden almacenar entre 5000 y 32.000 lecturas de espesor, aunque vienen modelos optimizados que pueden llegar a las 54.000 lecturas de espesor o 5100 formas de onda con medidas de espesor.

¿Cómo se usa un medidor de espesor por ultrasonido?

Existen innumerables usos para un medidor de espesor por ultrasonido. En el siguiente video podemos ver un ejemplo de aplicación para medir el espesor de caños plásticos.

La gran diversidad de aplicaciones divide la oferta de medidores de espesor por ultrasonido en básicamente dos grandes grupos: medidores de precisión y medidores de corrosión. Cada grupo cuenta con sus respectivos tipos de transductores cuya selección, a su vez, responde al modo de medición y a la aplicación en particular.