La medición ultrasónica de espesor es una de las tecnologías más utilizadas para el monitoreo en línea de tubos, mangueras y perfiles plásticos durante procesos de extrusión.
A diferencia de una medición puntual realizada fuera de línea, un sistema de ultrasonic gauging permite supervisar continuamente el producto mientras se encuentra en movimiento, proporcionando información sobre espesor de pared, uniformidad y, dependiendo de la configuración, concentricidad.
Sin embargo, obtener una medición estable no depende únicamente del sistema electrónico. La selección y configuración de los transductores ultrasónicos, la frecuencia, el acoplamiento acústico y la estabilidad mecánica del producto son factores determinantes.
Para cubrir diferentes posiciones alrededor del producto, los sistemas ultrasónicos utilizan varios transductores montados en un ultrasonic gauge.
En una configuración típica, los transductores se encuentran alrededor del tubo y utilizan agua como medio de acoplamiento acústico.
Un solo transductor proporciona información localizada. En cambio, una configuración multisonda permite observar diferentes posiciones alrededor de la circunferencia del producto.
Una configuración común utiliza cuatro transductores distribuidos aproximadamente cada 90°, aunque pueden utilizarse más sensores cuando se requiere mayor cobertura o información más detallada sobre la distribución del espesor.
Las principales ventajas son:
Por ejemplo, incrementar el número de transductores puede ser especialmente útil cuando el producto presenta wander, vibraciones o desplazamientos dentro del gauge.
No todos los transductores ultrasónicos concentran la energía de la misma manera. La geometría del haz influye directamente en la intensidad de la señal, la resolución y la tolerancia al movimiento del producto.
La energía se concentra en un punto focal.
Ventajas:
Limitación:
El área de máxima sensibilidad es relativamente pequeña, por lo que puede ser más susceptible a desplazamientos del producto.
La energía se concentra a lo largo de una línea.
Esta configuración puede resultar útil en aplicaciones donde el producto se desplaza continuamente y se necesita mantener una buena intensidad de señal a lo largo de una región determinada.
Produce un campo acústico menos concentrado y puede proporcionar mayor tolerancia a determinadas variaciones de posición.
Sin embargo, la respuesta del transductor y la calidad de los ecos dependen fuertemente de la aplicación y de la geometría del producto.
Genera una distribución de energía más extendida, lo que puede resultar útil cuando se necesita cubrir una región relativamente amplia.
La selección correcta no consiste en elegir simplemente el haz más ancho o más estrecho. Debe existir un equilibrio entre intensidad, resolución, cobertura y movimiento esperado del producto.
El diámetro del elemento piezoeléctrico es otro parámetro fundamental.
De forma general:
Mayor apertura → menor divergencia del haz y mayor directividad.
Menor apertura → mayor divergencia y mayor cobertura angular.
Por lo tanto, no es correcto asumir que un elemento grande siempre genera un haz más ancho. La relación depende también de la frecuencia y de la geometría acústica del transductor.
En aplicaciones de extrusión, esto genera un compromiso entre:
Energía acústica + directividad + cobertura + tolerancia al movimiento.
Un transductor debe proporcionar suficiente energía para atravesar el material y generar ecos claramente identificables, pero también debe mantener una cobertura adecuada para el rango de movimiento esperado del producto.
Otro parámetro crítico es la posición del producto respecto al transductor.
El campo acústico puede dividirse conceptualmente en diferentes regiones:
La señal puede presentar fenómenos asociados al campo cercano y no necesariamente representa la condición óptima para la medición.
Es la región donde el sistema puede obtener una mayor concentración de energía y, dependiendo del diseño del transductor, una señal particularmente favorable.
La energía acústica comienza a dispersarse y atenuarse.
Esto es particularmente importante cuando se utilizan frecuencias elevadas, ya que la atenuación en muchos materiales aumenta con la frecuencia.
Por eso, el diámetro del producto y la distancia entre el transductor y la superficie deben considerarse conjuntamente al seleccionar el transductor.
Uno de los parámetros más importantes es la frecuencia.
La regla general es:
Mayor frecuencia → mayor resolución, pero menor penetración.
Menor frecuencia → mayor penetración, pero menor resolución.
Para paredes delgadas, las frecuencias altas permiten separar ecos muy próximos.
Para paredes gruesas o materiales con elevada atenuación, una frecuencia demasiado alta puede producir una señal insuficiente.
De forma orientativa:
| Frecuencia | Aplicación típica | Ventaja | Limitación |
|---|---|---|---|
| 1–2.25 MHz | Paredes gruesas / materiales atenuantes | Alta penetración | Menor resolución |
| 2.25–5 MHz | Espesores medios | Buen equilibrio | Resolución intermedia |
| 5–10 MHz | Espesores medios/delgados | Buena resolución | Menor penetración |
| 10–20+ MHz | Paredes delgadas | Alta resolución | Mayor atenuación |
Estos rangos no deben interpretarse como límites universales. La frecuencia óptima depende de:
El principio fundamental es seleccionar la frecuencia que proporcione ecos suficientemente fuertes y claramente separados.
La cantidad de transductores necesaria depende principalmente de la geometría del producto y del nivel de cobertura requerido.
Una configuración de cuatro transductores puede ser suficiente para muchas aplicaciones, mientras que sistemas con seis u ocho transductores permiten incrementar la cobertura circunferencial y mejorar la capacidad para detectar variaciones de espesor y concentricidad.
De manera conceptual
Con cuatro transductores, las mediciones se realizan aproximadamente cada 90°.
Al aumentar el número de sensores se incrementa la cantidad de puntos de observación alrededor del producto.
Cuando una onda ultrasónica pasa del agua al material, parte de la energía se transmite y otra parte se refleja en la interfaz. La intensidad del eco depende del cambio en las propiedades acústicas entre ambos medios.
De forma simplificada:
La figura ilustra este principio comparando un material más blando y menos denso con uno más duro y más denso. En el primer caso se observa un retorno más pequeño, mientras que en el segundo la diferencia en las propiedades del material produce un eco de mayor amplitud.
En un sistema de Ultrasonic Gauging, este principio es fundamental porque la detección de los ecos depende de que exista suficiente contraste acústico en las interfaces que delimitan la pared del producto. Una señal más fuerte facilita la detección y seguimiento del eco por parte del sistema de procesamiento.
En resumen:
Mayor diferencia de propiedades acústicas en la interfaz → mayor reflexión → eco más fuerte.
Esta característica, junto con la frecuencia, la atenuación del material, el acoplamiento y la geometría del transductor, determina la calidad de la señal ultrasónica disponible para realizar la medición de espesor.
En una línea de extrusión, el tubo no necesariamente permanece perfectamente centrado.
Puede presentar:
Este movimiento se conoce comúnmente como wander.
El problema es particularmente importante cuando el haz ultrasónico es muy localizado.
Un producto que se desplaza fuera de la zona óptima puede provocar:
pérdida de intensidad → reducción de SNR → ecos inestables → pérdida de medición.
Por ello, la solución no siempre consiste en modificar el DSP.
También debe analizarse la parte mecánica:
La calidad de una medición ultrasónica es, en realidad, el resultado de la interacción entre mecánica + acústica + electrónica + procesamiento digital.
En un sistema de ultrasonic gauging, el agua no es simplemente un elemento auxiliar.
Es el medio de acoplamiento acústico entre el transductor y el producto.
Por ello deben controlarse:
Una mala condición de acoplamiento puede producir una señal débil incluso cuando el transductor y el DSP funcionan correctamente.
Por eso, antes de sustituir componentes electrónicos, conviene descartar primero problemas de acoplamiento y condiciones mecánicas.
Una vez establecida una buena condición mecánica y acústica, el siguiente paso es configurar correctamente el procesamiento digital.
El sistema debe identificar claramente los ecos correspondientes a las superficies del producto.
Conceptualmente:
La diferencia temporal entre los ecos permite determinar el espesor.
La velocidad acústica utilizada por el DSP debe corresponder al material bajo medición y, cuando sea necesario, debe calibrarse mediante una referencia conocida.
No debe asumirse una velocidad acústica universal para todos los termoplásticos.
Este punto es importante porque un error en la velocidad del sonido se traduce directamente en un error de espesor.
Revisar primero:
Si todos los canales presentan el mismo problema, es más probable encontrar una causa común al sistema que una falla simultánea de múltiples transductores.
Revisar:
Revisar:
Aquí la primera sospecha debe ser la atenuación insuficiente para atravesar el material.
Puede ser necesario evaluar una frecuencia menor o revisar la distancia y alineación del sistema.
Antes de cambiar un transductor o asumir una falla electrónica, recomiendo seguir esta secuencia:
☐ Producto correctamente centrado
☐ Rodillos correctamente ajustados
☐ Wander dentro del rango esperado
☐ Gauge correctamente alineado
☐ Nivel de agua correcto
☐ Sin burbujas
☐ Transductores limpios
☐ Flujo de agua adecuado
☐ Frecuencia adecuada
☐ Standoff adecuado
☐ Transductor dentro de su rango focal
☐ Ecos claramente identificables
☐ Cableado
☐ Conectores
☐ Canal del DSP
☐ Ganancia/configuración
☐ Velocidad acústica correcta
☐ Referencia de espesor disponible
☐ Medición comparada contra patrón
La selección de un transductor ultrasónico para una aplicación de extrusión no debe reducirse únicamente a elegir una frecuencia.
El desempeño final depende de la interacción entre:
Material + espesor + diámetro + frecuencia + geometría del transductor + enfoque + standoff + acoplamiento + movimiento del producto + DSP.
Una frecuencia elevada puede proporcionar una excelente resolución, pero perder penetración. Un transductor altamente enfocado puede proporcionar una señal excelente en una posición determinada, pero ser más sensible al wander. Por otro lado, una configuración con mayor cobertura puede ofrecer mayor estabilidad frente al movimiento, pero con compromisos diferentes en intensidad y resolución.
Por eso, el objetivo no es encontrar "el transductor más potente", sino encontrar la combinación que produzca ecos estables, claramente separados y reproducibles dentro de las condiciones reales del proceso.
En aplicaciones industriales, una medición ultrasónica confiable comienza mucho antes del DSP: comienza con la correcta selección del transductor y con una adecuada integración mecánica, acústica y electrónica.
Siguiente paso: En el próximo artículo veremos cómo optimizar el procesamiento digital (DSP) y el seguimiento automático de ecos para obtener mediciones ultrafinas confiables.
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