Efectos de los cables largos en los ensayos ultrasónicos con sondas monoelemento

Un cable de sonda es una parte integral de cualquier sistema de medición u detección de defectos por ultrasonido; sin embargo, por lo general, no es un aspecto que llame la atención a un operador aparte de saber si está roto, ajado u presenta otro defecto. La mayor parte de los ensayos ultrasónicos son llevados a cabo con una frecuencia convencional de 500 KHz a 20 MHz a través de cables de sonda que no exceden la longitud de dos metros o seis pies. Sin embargo, en aplicaciones que requieren frecuencias de ensayo o cables más largos, es importante considerar los efectos potenciales que resultan del alargamiento del cable y corregirlos de ser necesario.

A través de esta nota de aplicación, se expone el uso de cables de sonda muy largos en ensayos que actuarán con frecuencias de aproximadamente 20 MHz a menos. Los problemas especiales que se plantean al usar cables con sondas de muy alta frecuencia (de 50 MHz a más) se explican en nuestra documentación técnica Application Considerations in Specifying High-Frequency Ultrasonic Transducers [Consideraciones aplicativas con respecto a las sondas ultrasónicas de alta frecuencia].

Factores importantes frente a una longitud de cable incrementada

Existen cuatro factores que deben considerarse: reflexiones, atenuación, retardo y captación de ruido por parte del cable. Todos estos factores devienen sumamente importantes a medida que la longitud del cable aumenta, en especial cuando sobrepasa una longitud de aproximadamente 20 metros o 65 pies.

Reflexión del cable

En cualquier sistema ultrasónico, un impulso de excitación o «impulso inicial» viaja desde el emisor del instrumento hacia la sonda a una velocidad que, en un cable coaxial típico, se aproxima a la velocidad de la luz. Cuando ese impulso de excitación llega a la sonda, gran parte de la energía eléctrica se convierte en ondas acústicas (o sonoras). Sin embargo, parte de la energía eléctrica se reflejará viajando de regreso hacia el emisor. Cuando ésta alcanza el emisor, una parte de dicha energía se refleja nuevamente hacia la sonda. [La cantidad de energía que se refleja en cada término del cable está relacionada esencialmente a la adaptación o desadaptación de la impedancia eléctrica]. Cuando ese eco llega nuevamente a la sonda, éste actúa como un segundo impulso de excitación más pequeño, consecutivo al impulso original, en un intervalo de tiempo igual a la duración de ida y vuelta del tránsito eléctrico en el cable.

En configuraciones de ensayo normales con cables cortos, la reflexión de dicho impulso llega muy rápido después del impulso de excitación inicial y no tiene ningún efecto significativo en el rendimiento de la sonda. Sin embargo, cuando la duración del tránsito eléctrico a través del cable se aproxima a la resonancia de la sonda (1/frecuencia), el impulso reflejado extiende la longitud del impulso de excitación y lo regresa a la sonda. Estas oscilaciones adicionales limitan la resolución cercana a la superficie (a veces de manera significativa). En el caso de las sondas con líneas de retardo, el impulso reflejado también hace regresar el eco de la interfaz de la línea de retardo, lo que reduce nuevamente la resolución cercana a la superficie. Con cables muy largos, se observará un segundo impulso de excitación, así como ecos de fondo duplicados que se separan por un intervalo de tiempo igual a la longitud eléctrica del cable.

En algunas aplicaciones, los efectos negativos de las reflexiones del cable pueden evitarse cambiando las sondas monoelemento por sondas duales. Dado que las sondas duales usan elementos de emisión y recepción y que su configuración capta normalmente solo el primer eco que llega a partir del defecto, el aumento del impulso de excitación y las oscilaciones de reflexión generalmente no son un problema (aunque pueden experimentarse problemas de atenuación, retraso y captación de ruido).

En algunos casos, las reflexiones del cable pueden disminuir al ajustar la amortiguación del instrumento a 50 ohmios e instalar un terminador de 50 ohmios del lado de la sonda del cable. Sin embargo, esto puede tener efectos indeseables en la forma del eco y, de cualquier modo, es imposible alcanzar perfectamente la impedancia eléctrica con un emisor debido a que todas las sondas de ensayos no destructivos (END) comunes tienen un perfil de impedancia eléctrica complejo.

Atenuación del cable

La resistencia eléctrica en cables largos provoca una pérdida de señal que aumenta con la longitud. Por esta razón, en configuraciones de detección de defectos, en las que es importante un seguimiento preciso de la amplitud del eco, la sensibilidad del instrumento siempre debe ser calibrada con el cable real asignado a los ensayos. Las pérdidas de señal generadas por el cable son normalmente bajas y pueden ser compensadas al hacer simples ajustes de la ganancia en el instrumento. En casos extremos, se recomienda el uso de un preamplificador en el lado de la sonda del cable.

Retardo del cable

La duración del tránsito eléctrico a través del cable de la sonda forma parte de la distancia total o medición del espesor cuando se usan sondas de contacto y aquellas duales (aunque no cuando se mide el espesor en el modo Eco a Eco). Los cables largos pueden incrementar el tiempo de una medición y crear errores si no se compensan a cero. Por esta razón, en cualquier configuración que aplique una medición del espesor o la distancia basada en el cronometraje del primer eco de fondo a partir de la pieza bajo ensayo, la calibración a cero del instrumento siempre debe efectuarse con el cable real asignado a los ensayos. Este problema suele ser sencillo de resolver siempre que se siga el procedimiento de calibración adecuado.

Captación de ruido del cable

Un factor menos común que los tres enumerados anteriormente es la captación del ruido a través de cables largos debido a la radiofrecuencia (RF) ambiental. Puede ser un problema en aplicaciones que combinan cables muy largos, alta ganancia y entornos eléctricamente ruidosos como la proximidad a motores o soldadoras. En tales casos, el ruido del cable puede ocultar potencialmente ecos de interés. Entre las posibles soluciones, destaca el uso de cables coaxiales con doble blindaje, de preamplificadores remotos en el lado de la sonda del cable y el filtrado del receptor de paso bajo para filtrar los componentes de ruido de alta frecuencia.

Efectos de cableado en los ensayos ultrasónicos: Ejemplo

La siguiente serie de formas de onda (A-scan) muestra los efectos a medida que aumenta la longitud del cable bajo una configuración simple del detector de defectos con una sonda de contacto de banda ancha de 10 MHz, destinada a medir el espesor de un bloque de referencia de acero de 10 mm de espesor. La longitud del cable aumenta de 1 metro (aproximadamente 3 pies) a 60 metros (200 pies) en seis pasos. A través de estas formas de onda, se desea mostrar un ejemplo generalizado de los efectos que provocan los cables largos. Los resultados específicos variarán a medida que la banda ancha y la frecuencia cambien. Con frecuencias más altas, los efectos serán más pronunciados, mientras que con frecuencias más bajas lo serán menos.

Cable de 1 metro (3 pies)

Cable de 4 metros (12 pies). El impulso de excitación aparece ligeramente más grande. El eco de fondo es ligeramente más amplio. La lectura de espesor está compensada con 0,26 mm.

Cable de 10 metros (30 pies). El impulso de excitación aparece significativamente más grande. El eco de fondo ha desarrollado un ciclo adicional. La lectura de espesor está compensada con 0,26 mm.

Cable de 25 metros (80 pies). La ganancia ha sido incrementada a 6 dB para compensar la pérdida de señal del cable. El impulso de excitación oscila significativamente. El eco de fondo es seguido por la reflexión del cable. La lectura de espesor está compensada con 0,68 mm.

Cable de 40 metros (125 pies). Aumento adicional de oscilación en el impulso de excitación. La lectura de espesor está compensada con 1,09 mm.

Cable de 60 metros (200 pies). El impulso de excitación y el eco de fondo se duplican. La lectura de espesor está compensada con 1,64 mm.