DETECTARE CU ULTRASUNETE Scopul unui program bun de mentenan predictiv este de a colecta ct mai multe informaii posibil pentru folosirea lor n realizarea celei mai informate decizii privind starea mainii. Acest articol trateaz ase ntrebri eseniale pentru nelegerea locului monitorizrii vibraiei acustice ntr-un program de mentenan predictiv. 1. Ce sunt ultrasunetele Sunet vs. Ultrasunet Toate sunetele sunt produse de ctre vibraii n corpuri. La instrumentele muzicale, sunetul este emis de corzi vibrante sau un fluier. Vocea noastr este rezultatul vibraiilor corzilor vocale. Numrul de vibraii pe care un corp le face ntr-o secund se numete frecven i se este referitor la hertz. Ultrasunetul este definit ca "unde sonore avnd o frecven peste limitele auzului uman, sau n exces, 20.000 cicluri pe secund (hertz)". Deci, prin definiie, ultrasunetul este total nedetectabil de ctre urechile omului dac nu este ajutat de instrumente capabile sa transfere ultrasunetul ntr-un sunet audibil. Pe pia, aceste instrumente sunt cunoscute uzual ca detectoare de ultrasunete i ele au fost folosite pentru diferite funcii referitoare la mentenan de peste 25 de ani. Teoria propagrii sunetului Sunetul se propag sub form de unde longitudinale, teoretic prin orice mediu (aer, ap, sticl, metal, etc.). O und este o perturbaie care face s vibreze particulele mediului prin care trece. n asemenea unde, particulele peste care trece unda, sunt fcute s vibreze pe o linie paralel cu direcia n care se deplaseaz unda. Proprietile ultrasunetului Energia unei unde sonore se diminueaz pe msur ce se ndeprteaz de surs. Deoarece undele sonore se desfoar n sfere extinse, energia lor este dispersat pe o suprafa mare. Acest fenomen este cunoscut sub numele de atenuare. Sunetul audibil 2

mai mult i mai considerabil dect ultrasunetul cu aceeai energie, deoarece lungimea de und a unui sunet audibil este mai mare dect lungimea de und a ultrasunetului. Din acest motiv, ultrasunetul este mai dirijat ctre sursele sale dect sunetele audibile de frecven mai joas. Aceast caracteristic direcional face mai uoar localizarea exact a sursei ultrasunetului, chiar n medii foarte zgomotoase i rsuntoare.

2. Ce echipament se folosete? Cum funcioneaz detectoarele de ultrasunete? Dac vrem s ascultm ultrasunete, avem nevoie de un instrument capabil s transfere frecvene nalte ntr-un nivel pe care putem s-l auzim (normal 200-5000 Hz este un interval de ascultare comod). Aceasta este funcia detectorului de ultrasunete. Dac vrem s ascultm doar ultrasunetul, avem nevoie de un detector cu anumite filtre care s elimine zgomotele audibile sau "parazite". Dac vrem s msurm energia ultrasunetului, detectorul trebuie s aib capaciti de msurare digital. Acest echipament poate nregistra n general msurrile pe un cip de memorie on-board i s transmit datele la un program de calcul. Tipuri de senzori Detectoarele de ultrasunete folosesc senzori cu cristale piezoelectrice de cuar care sunt excitate de ctre energia unor vibraii ultrasonore. Aceste vibraii sunt simite de detector i translate din starea lor de frecven nalt ntr-o stare de frecven joas.

3

Calitatea sunetului este meninut n timpul acestei translri astfel nct ultrasunetul este auzit clar ntr-o casc. Senzorii sunt proiectai s recepioneze i ultrasunetele aeropurtate i cele structurale. Tratarea i msurarea semnalului Vibraia ultrasonor sau acustic este o energie creat prin frecarea dintre componente n micare (rulmeni, manoane, roat dinat, etc.). Aceast energie este practic o tensiune sau curent alternativ cel mult, foarte instabil i schimbtoare. Pentru a furniza date folositoare pentru monitorizarea vibraiei acustice, aceast energie trebuie fcut liniar n scopuri repetabile. Un detector de ultrasunete de calitate folosete tehnici de conversie a RMS reale (Root Mean Squared = Rdcina medie ptratic). Aceasta este o cale de msurare a unei tensiuni alternative pe calea considerrii rdcinii medii ptratice a eantioanelor. Fundamental, msurarea rdcinii medii ptratice reale este o tehnic care furnizeaz msurri consistente teoretic valide a semnalelor electrice derivate din fenomene mecanice, cum ar fi ntindere, presiune, vibraie, oc, expansiune, comportare zgomotoas i vibraii acustice. Semnalele electrice produse de aceste aciuni mecanice sunt de obicei zgomote, neperiodice, nesinusoidale, suprapuse peste nivele de curent continuu, i necesit RMS real pentru msurri corecte, sigure i repetabile. 3. Ce este monitorizarea vibraiei acustice? Monitorizarea vibraiei acustice? Rulmenii, buni sau defeci, noi sau vechi, produc frecri ultrasonice, cum ar fi ca elementele interne de rulare s se nvrt pe pista intern i extern. Un rulment bun va produce o energie acustic mai mic dect un rulment cu fisuri tipice cum ar fi gurirea, turtirea bilelor, i deformarea pistelor. De asemenea, datorit proprietile lubrifiantului, de absorbie a frecrii, un rulment bine uns produce o mai mic frecare dect un rulment la care lipsete lubrifierea. Odat cu deteriorarea vscozitii lubrifiantului, i/sau materialul din care este realizat rulmentul este solicitat i uzat, frecarea i emisiile ultrasonore corespunztoare, cresc. Monitorizarea i urmrea energiei de nalt frecven a rulmentului, permite 4

determinarea intervalelor adecvate de lubrifiere i prevederea momentului cnd rulmentul ajunge n prima sa stare de uzur. Monitorizarea vibraiei acustice vs. Analiza vibraiei Verificarea ultrasonor nu trebuie confundat cu analiza vibraiei de joas frecven. Msurrile vibraiei de joas frecven (viteza sau deplasarea) indic un rulment ntr-o stare avansat de uzur i ofer informaii despre rdcina cauzei defectrii premature (aliniere greit, dezechilibru, etc.). normal, exist o fereastr mic a oportunitii de a programa oprirea deoarece rulmentul a avansat deja ntr-o stare de defect. Monitorizarea vibraiei acustice de nalt frecven controleaz evoluia rulmentului, indic intervalele necesare de lubrifiere i declaneaz alarma nainte ca rulmentul s ntre n starea de defect. Prima indicaie a schimbrii nseamn c poate fi fcut rapid o aciune corectiv pentru a mri longevitatea mainii. Dac unul din scopurile mentenanei predictive este de a mri durata de via a unei de producie, atunci monitorizarea vibraiei acustice trebuie s joace un rol integral. De reinut c verificarea ultrasonor controleaz i dirijeaz evoluia uzurii rulmentului. Nu trebuie considerat o nlocuire a analizei vibraiilor, mai degrab o ntrire pentru orice program bun de mentenan predictiv bazat pe vibraii. Datorit costului relativ redus al echipamentelor de detectare cu ultrasunete, aceast tehnologie este de asemenea o alegere excelent pentru companii mici i medii care au bugete mai mici pentru echipamente bune. 4. Cum se colecteaz datele pentru urmrirea uzurii rulmentului prin detectarea cu ultrasunete? Stabilirea unei metode de colectare a datelor bazat pe dirijare Instrumentele ultrasonice actuale permit o mai mare flexibilitate dect instrumentele de acum civa ani. Componente electronice mai mici i mai puternice permit nregistrarea datelor complexe i dou ci de comunicare cu calculatoarele. O monitorizare propriu-zis a vibraiei acustice nseamn stabilirea unei metode de colectare a datelor bazat pe dirijare similar cu aceea a repartizrii vibraiei voastre.

5

Stabilirea repartizrii sau gruprii mainilor ntr-o secven logic i identificarea activ a numelor la fiecare punct de msurare pentru nregistrare, urmrire i reprezentare grafic n timp a strii rulmentului. Valoarea msurat (dBV) i corelrile sale la stare La nceput, scopul este de a stabili o linie de baz sau un interval de funcionare normal pentru fiecare rulment care va fi verificat. n ntreaga via a rulmentului, nivelul su de ultrasunete trebuie s rmn relativ constant ( 3 sau 4 dBV). Cum starea rulmentului se schimb, vor fi observate creteri ale energiei acustice datorate fie ntreruperii lubrifiantului, fie ntreruperilor structurale. Creterile corespund cu un nivel crescut al citirii (dBV) pe aparat. Urmrirea energiei acustice cu un program de nregistrare a datelor, permite utilizatorului s prevad precis cnd trebuie aplicat lubrifiantul pe un rulment, i cnd rulmentul n sine intr prematur n stri de defect. De reinut c urmrirea vibraiei acustice ne avertizeaz despre semnele primare ale schimbrii ntr-un rulment. Utilizarea srguincioas a informaiilor obinute, rezult n mai bune practici de lubrifiere i mresc viaa rulmentului. Rezultatul dorit este o fereastr mult mai mare spre programarea reparaiilor i a schimbrilor. Pentru optimizarea tehnicilor de inspecie cu ultrasunete este esenial s se asculte rulmenii; nu numai s se citeasc valorile de pe display. Ascultarea ultrasunetelor unui rulment, ofer informaii calitative semnificativ care se coreleaz cu valorile msurate. Un sunet jos, nbuit, asociat cu valori stabile indic un rulment care funcioneaz normal. Un zgomot strident foarte puternic indic o lips a lubrifierii, o suprancrcare sau o vitez de rotaie peste cea specific a rulmentului. O pritur asociat cu valori instabile sau mari de dB indic defecte, uzur sau pierderi de particule metalice n lubrifiant. Detectoarele de ultrasunete furnizeaz o excelent msurare cantitativ prin intermediul afiajului digital, fr a ignora informaia calitativ dat de ctile de ieire. Cum poate ajuta detectarea cu ultrasunete programul de lubrifiere Lubrifiantul absoarbe energia creat prin frecarea dintre elementele de rulare a unui rulment. Vibraia acustic este joas cnd rulmentul este lubrifiat adecvat, dar cnd stratul de lubrifiant se ntrerupe, aceast energie crete logaritmic; chiar dac rulmentul 6

posibil s nu aib nici o uzur semnificativ. O cretere de la 8 la 10 dBV peste linia de baz indic necesitatea lubrifierii. Acesta se confirm prin ascultarea caliti acustice a rulmentului n cti sau prin vizualizarea formei de und pe un analizor spectral. Rulmeni cu lubrifiere insuficient va suna mai puternic, cu un tunet brut, comparat cu zgomotele relativ netede ale unui rulment bine uns. Forma de und pe un osciloscop va arta puncte inconsistente dac rulmentul este slab uns. Detectoarele de ultrasunete ne pot spune cnd s ncetm ungerea Un detector de ultrasunete ne spune cnd este timpul s lubrifiem i, de asemenea, cnd este timpul s oprim ungerea. Unele detectoare de ultrasunete ofer un adaptor lubrifiant care ataeaz un senzor de contact cu ultrasunete la orice aparat de ungare standard pentru a permite ascultarea i lubrifierea simultan. n timpul ascultrii calitii sunetului rulmentului n cti, ncepe pomparea cu aparatul de ungere, dnd doar o jumtate de pomp o dat. Calitatea sunetului se schimb odat ce unsoarea ajunge la destinaia dorit. Se reia msurarea dBV i se compar. Se va observa o schimbare n amplitudine odat ce unsoarea umple rulmentul. Se oprete ungerea. Se msoar dBV din nou i se compar. n majoritatea cazurilor nivelul sunetului sau dBV va fi mai jos dect linia de baz original. Se reface citirea i se nregistreaz noua linie de baz pentru referine viitoare. Dac, dup prima parte a pomprii lubrifiantului se observ o cretere a nivelului sunetului, se oprete lubrifierea i se ateapt 10 15 sec pentru ca nivelul ultrasunetului s se stabilizeze. Dac nu se stabilizeaz sau scade, se oprete lubrifierea rulmentului. Concluzii i sumar Scopul oricrui program de mentenan preventiv trebuie s utileze cu instrumente care dau cea mai bun informaie pentru luarea unei decizii informate despre starea mainilor de producie. Detectarea cu ultrasunete permite auzirea primelor semne ale defectrii mainii i a ntreruperii lubrifierii; n mod normal, cu o destul de larg fereastr pentru a aciona n interiorul limitrii unei ntreruperi planificate. Inspecia cu ultrasunete este o excelent tehnologie de sine stttoare pentru toate departamentele mentenanei care vor s nceap sau s intensifice un program de monitorizare a vibraiei. Analitii vibraiei vor culege de asemenea beneficii imediate 7

prin implementarea tehnicilor de monitorizare a vibraiei acustice pentru a intensifica cile lor de vibraie existente. Cea mai bun informaie ne-o putem da noi nine, cu ct suntem mai capabili s lum decizia corect despre bunstarea relativ a mainilor de producie. Principii de baz ale testrilor cu ultrasunete Testrile cu ultrasunete (UT) folosesc energia sonor de nalt frecven pentru dirijarea examinrilor i realizarea msurtorilor. Inspecia cu ultrasunete poate fi folosit pentru evaluarea/detectarea crpturilor, msurri dimensionale, caracterizarea materialului, i altele. Pentru a ilustra principiul general al inspeciei, se va folosi o configurare de impuls/ecou tipic inspeciei, aa cum se arat n cele ce urmeaz. Un sistem tipic de inspecie UT const din cteva uniti funcionale, cum ar fi emitorul/receptorul de impulsuri, traductorul i aparatele de afiare. Emitorul/receptorul de impulsuri este un instrument electronic care poate produce impuls electric de tensiune nalt. Condus de emitor, traductorul genereaz energie ultrasonor de nalt frecven. Energia sonor este introdus i se propag prin materiale sub forma undelor. Cnd exist o discontinuitate (cum ar fi o crptur) n calea undei, o parte din energie va fi reflectat de suprafaa defect. Unda de semnal reflectat este transformat n semnal electric de ctre traductor i este afiat pe un ecran. n aplicaia de mai jos, puterea semnalului reflectat este afiat n funcie de timpul de la generarea semnalului pn cnd se recepioneaz un ecou. Timpul de propagare a semnalului poate fi raportat direct la distana pe care se propag semnalul. Cu ajutorul semnalului se pot obine uneori locaia punctului de reflexie, dimensiunea, orientarea i alte caracteristici. Inspecia cu ultrasunete este o metod NDT foarte folositoare i multilateral. Unele din avantajele inspeciei cu ultrasunete frecvent citate includ: Este sensibil la ambele suprafee de discontinuitate; Adncimea de penetrare pentru detectarea sau msurarea crpturii este superioar fa de alte metode NDT; Este necesar doar o singur latur de acces cnd se folosete tehnica impulsecou;

8

Este de nalt acuratee n determinarea poziiei punctului de reflecie i n estimarea dimensiunii i a formei discontinuitii; Se cere o pregtire minimal; Echipamentul electronic furnizeaz rezultate instantanee; Pot fi produse imagini detaliate cu sisteme automate; Are alte i utilizri cum ar fi msurarea grosimii, n plus la detectarea fisurilor.

Ca la toate metodele NDT, inspecia cu ultrasunete are i ea limitrile sale, care includ: Suprafaa trebuie s fie accesibil pentru transmiterea ultrasunetelor; Deprinderea i ndemnarea este mai extensiv dect la alte metode; n mod normal se cere o cuplare medie pentru a promova transferul energiei sonore n specimenul de test; Materialele grosolane, de form neregulat, foarte mici, excepional de mici sau neomogene sunt greu de verificat datorit slabei transmisii a sunetului i a semnalului de zgomot ridicat; Defecte liniare orientate paralel cu raza sunetului pot fi nedetectate; Se cer standarde de referin pentru calibrarea echipamentului i caracterizarea defectelor. Introducerea de mai sus este o introducere simplificat pentru metoda nedistructiv de testare cu ultrasunete. Totui, pentru a realiza efectiv o inspecie folosind ultrasunete, mai mult dect att metoda trebuie bine cunoscut. Urmtoarele pagini prezint informaii despre cunotinele implicate n inspecia cu ultrasunete, echipamentul folosit n mod uzual, unele din tehnicile de msurare folosite, ca i alte informaii. Istoria ultrasunetelor nainte de al doilea rzboi mondial, sonarul, tehnica transmiterii undelor sonore prin ap i a observrii ecourilor de ntoarcere pentru caracterizarea obiectelor scufundate, a inspirat primii cercettori de ultrasunete s exploreze ci de aplicare a conceptului n diagnoza medical. n 1929 i 1935, Sokolov a studiat folosirea undelor ultrasonore n detectarea obiectelor metalice. Mulhauser, n 1931, a obinut un patent 9

pentru folosirea undelor ultrasonice, cu ajutorul a doi traductori, n detectarea fisurilor n solide. Firestone (1940) i Simons (1945) au dezvoltat testarea cu impuls ultrasonic folosind o tehnic impuls-ecou. Puin dup ncheierea celui de al doilea rzboi mondial, cercettori din Japonia au nceput explorarea capacitii ultrasunetelor de diagnosticare n medicin. Primele instrumente ultrasonice foloseau o prezentare A-mode cu impulsuri scurte pe un ecran de osciloscop. Aceasta a fost urmat de o prezentare B-mode cu o scal bidimensional cu imagine gri. Preocuparea japonezilor n ultrasunete a fost relativ necunoscut n America i Europa pn n anii 50. Atunci, cercettorii i-au prezentat descoperirile din folosirea ultrasunetelor pentru detectarea pietrelor la vezica biliar i tumori la comunitatea medical internaional. Japonia a fost de altfel prima ar care a aplicat ultrasunetele Doppler, o aplicaie a ultrasunetelor care detecteaz obiecte interne n micare cum ar fi curgerea sngelui prin inim pentru investigarea cardiovascular. Pionierii ultrasunetelor care lucrau n Statele Unite au contribuit cu multe inovaii i descoperiri importante n domeniu n timpul urmtoarelor decenii. Cercettorii au nvat s foloseasc ultrasunetele pentru detectarea posibilului cancer i pentru vizualizarea tumorilor n subieci vii i n esuturi extirpate. Vizualizarea n timp real, un alt instrument semnificativ de diagnosticare pentru fizicieni, a prezentat imagini cu ultrasunete direct pe ecranul CRT al sistemului, n timpul scanrii. Introducerea spectrului Doppler i mai trziu a culorii Doppler a descris curgerea sngelui n diferite culori pentru a indica viteza de i direcia de curgere. Statele Unite de asemenea au produs primul scanner manual de contact de uz clinic, a doua generaie de echipament B-mode i prototipul pentru primul scanner manual cu bra articulat, cu imagini 2-D. nceputurile evalurii nedistructive (NDE) Testarea nedistructiv a fost practicat multe decenii, cu dezvoltri iniiale rapide n instrumentaie stimulate de avansrile tehnologice care au aprut n timpul celui de al doilea rzboi mondial i a eforturilor ulterioare de aprare. n primele zile, scopul principal a fost detectarea defectelor. Ca parte a proiectrii unei viei sigure, sa vrut ca o structur s nu dezvolte defecte macroscopice n timpul vieii sale, cu detectarea a astfel de defecte s devin un motiv pentru mutarea componentei din 10

funciune. Ca rspuns la aceast nevoie, tehnici sofisticate n cretere folosind ultrasunete, cureni eddy, raze X, penetrani de vepsea, particule magnetice i alte forme de interogare a energiei aprute. La inceputul anilor 70, au avut loc dou evenimente care au cauzat schimbri majore. Creterea continu a tehnologiei, n special a abilitii sale de a detecta fisuri mici, au condus la situaia nedorit ca mai multe pri trebuie respinse, chiar dac probabilitatea de defectare nu s-a schimbat. Totui, disciplina fracturilor mecanice aprute, care permite s se prevad dac o crptur de dimensiune dat va cdea sub o anume ncrcare dac se cunoate o proprietate a materialului (duritatea fracturii). S-au dezvoltat alte legi pentru a prezice rata creterii crpturilor sub o ncrcare ciclic (oboseal). Cu apariia acestor instrumente, a devenit posibil s se accepte structuri care conin defecte dac dimensiunile acestora sunt cunoscute. Aceasta a format baza pentru noua filozofie a proiectrii defect sigur sau paguba tolerat. Componentele care au defecte cunoscute i pot continua funcionarea att timp ct se poate stabili c aceste defecte nu vor crete pn la o dimensiune critic, care produce defectarea. O alt provocare a fost cea prezentat comunitii de testri nedistructive. Detectarea nu era de ajuns. Era necesar s se obin informaii cantitative despre dimensiunea crpturii pentru a servi ca date de intrare pentru prezicerea timpului de via rmas pe baza fracturii mecanice. Aceste preocupri, care s-au simit puternic n industriile de aprare i de energie nuclear, au dus la crearea unui numr de programe de cercetare n toat lumea si la apariia evalurii cantitative nedistructive (QNDE) ca o nou disciplin. Centrul pentru Evaluare Nedistructiv de la Universitatea de Stat din Iowa (care cultiva un efort major de cercetare la Centrul tiinific Internaional de la Rockwell); Institutul de Cercetare a Energiei Electrice din Charlotte, Carolina de Nord; Institutul Fraunhofer pentru Testri Nedistructive din Saarbrucken, Germania i Centrul de Testri Nedistructive din Harwell, Anglia i pot trage rdcinile din aceasta. Statutul actual al ultrasunetelor Testarea cu ultrasunete (UT) s-a practicat pentru multe decenii. Dezvoltrile iniiale rapide n instrumentaie angrenate de avansrile tehnologice din 1950 continu i azi. Prin anii 80 i continund n prezent, computerele au furnizat tehnicienilor instrumente mai mici i mai neregulate cu capaciti mai bune. Instrumentele de msurare a densitii sunt exemple de instrumente care au fost rafinate s reduc 11

eroarea operatorului i timpul pentru sarcin prin nregistrarea citirilor. Aceasta reduce necesitatea unui scrib i permite tehnicianului s nregistreze peste 54000 valori de densitate nainte s le transfere pe calculator. Unele instrumente au capacitatea de a captura forme de und precum i citiri de densiti. Opiunea pentru forme de und permite tehnicianului s vad sau s revad semnalul A-scan al nregistrrilor de densitate fr a fi prezent n timpul inspeciei. S-au fcut mai multe cercetri i dezvoltri pentru nelegerea sunetului reflectat dintr-o suprafa care conine coroziuni sau eroziuni cum sunt cele gsite pe suprafaa interioar a unei conducte de transport a unui produs. Aceast a dus la cmp mai exact i mai consistent de msurtori. Uneori, detectoarele de scurgere cu ultrasunete au ncorporat o funcie trigonometric care permite o localizare exact i rapid a indicaiilor cnd se efectueaz inspecii de unde tiate. Razele tuburilor catodice, n cea mai mare parte, au fost nlocuite cu ecrane LED sau LCD. n cele mai multe cazuri, aceste ecrane sunt extrem de uor de vzut ntr-o larg plaj a luminii ambientale. Condiiile de lucru n locuri luminate sau slab luminate ntlnite de tehnicieni au un mic efect asupra abilitii tehnicianului de a vedea ecranul. Ecranele au ajustaj pentru luminozitate, contrast, i cu unele instrumente poate fi selectat chiar i culoarea ecranului i a semnalului. Traductorii pot fi programai cu setri predeterminate ale instrumentelor. Tehnicianul trebuie doar s plaseze traductorul n contact cu instrumentul, iar instrumentul va seta apoi variabilele ca intervalul, ntrzierea, frecvena i ctigul aa cum este ndrumat de ctre cipul din traductor. Odat cu apariia calculatoarelor, robotica a contribuit la avansarea inspeciilor cu ultrasunete. Primele avantaje ale unei platforme staionare au fost recunoscute i folosite n industrie. Aceste sisteme erau produse de unele companii. Sistemele automate au produs un sistem cunoscut ca Ultragraph 1020A. Acest sistem conine un bazin de scufundare, un pod i un sistem de nregistrare pentru o printare a scanrii. Rezultanta C-scan furnizeaz un plan sau o vedere de ansamblu a componentei. Scanarea componentelor a fost considerabil mai rapid dect scanarea de contact manual, iar sistemul ofer o nregistrare a inspeciei. Limitrile includ dimensiunea i forma componentei, i de asemenea costul sistemului. Sistemele imersate au avansat n multe domenii ncepnd din anii 60. Dei robotica, aa cum se tie, nu exista, bazinele de scufundare furnizau anchete efective n alte mijloace de inspecie. Robotica actual a permis traductorilor imersai s inspecteze componente fr a fi nevoie s fie scufundai n ap. Sisteme complexe 12

permit traductorului s traverseze componenta transmind sunetul printr-o coloan de ap. Computerele pot fi programate s inspecteze componente mari i de form complex, cu unul sau mai muli traductori de colectare a informaiilor. Aceste informaii sunt apoi colectate de computer pentru evaluare, transmitere la beneficiar i n final sunt arhivate ca imagine care i va menine calitatea pentru anii care urmeaz. Teoriile cantitative actuale s-au dezvoltat pentru a descrie interaciunea cmpurilor de interogare cu defectrile. Modele care ncorporeaz rezultatele au fost integrate cu modele solide de descriere a geometriei prii reale pentru stimularea inspeciilor practice. Instrumente asociate permit considerarea metodelor de evaluare nedistructiv (NDE) n timpul procesului de proiectare ntr-o egal relaie cu alte discipline inginereti referitoare la defecte. Descrierile cantitative ale performanelor metodelor NDE, cum ar fi probabilitatea detectrii (POD), au devenit parte integrant a evalurii statistice a riscului. Procedurile de msurare dezvoltate iniial pentru metale au fost extinse la materiale inginereti cum ar fi materialele compozite, unde anizotropia i neomogenitatea au devenit probleme importante. Avansul rapid al capacitilor de calcul i de digitizare au schimbat total faa multor instrumente i tipul de algoritmi folosii n procesarea datelor rezultante. Au aprut sisteme de redare a imaginilor de mare rezoluie i multiple modaliti de msurare pentru caracterizarea unui defect. Interesul este n cretere nu numai pentru detectarea, caracterizarea i dimensionarea defectelor, ci i n caracterizarea materialelor n care acestea apar. Scopurile variaz de la determinarea caracteristicilor fundamentale microstructurale cum ar fi dimensiunea gruntelui, porozitatea i textura (orientarea principal a gruntelui), la proprietile materialelor referitoare la mecanismele de defectare ca oboseala, cutremur, i grosimea fracturii. Cum tehnologia continu s avanseze, avanseaz i aplicaiile ultrasunetelor. Sistemele de redare a imaginilor de mare rezoluie din laboratoarele actuale vor fi instrumente pentru tehnicieni n viitor.

Direciile viitoare ale inspeciei cu ultrasunete Privind n viitor, n domeniul metodelor NDE se vede un set interesant de noi oportuniti. Industria de aprare i cea a energiei nucleare au jucat un rol major n 13

apariia metodelor NDE. Competiia global crescnd a condus la schimbri dramatice n dezvoltarea produselor i a ciclurilor de afaceri. n acelai timp, uzura infrastructurii, de la drumuri la cldiri i avioane, prezint un nou set de provocri de msurare i monitorizare pentru ingineri ca i pentru tehnicieni. Printre provenite din noile aplicaii ale NDE este aceste schimbri

accentuarea sporit a folosirii NDE pentru a mbunti productivitatea proceselor de fabricare. Evaluarea nedistructiv cantitativ (QNDE) sporete cantitatea de informaie despre modurile de defectare i viteza cu care pot fi obinute informaii i faciliteaz dezvoltarea msurrii on-line pentru controlul procesului. Fraza nu poi inspecta calitatea, trebuie s o construieti, exemplific concentrarea industriei asupra evitrii formrii defectelor. Cu toate acestea, defectele i necesitatea de a le detecta, i n timpul fabricrii i n timpul funcionrii, nu vor disprea i sunt necesare dezvoltri continue a tehnicilor de detectare i caracterizare a defectelor. Instrumentele avansate de simulare care sunt proiectate pentru inspectare i integrarea lor n strategii cantitative pentru managementul duratei de via vor contribui la creterea numrului i tipurilor de aplicaii inginereti a NDE. Cu dezvoltarea NDE n aplicaiile inginereti, va fi necesar o extindere a bazei de cunotine a tehnicienilor care realizeaz evalurile. Instrumentele avansate de simulare folosite n proiectarea inspectrii pot fi folosite pentru a furniza studenilor tehnica pentru o mai bun nelegere a comportrii sunetului n materiale. UTSIM dezvoltat la Universitatea Statului Iowa ofer privire asupra a ce poate fi folosit n slile de clas tehnice ca instrument interactiv de laborator. Cum globalizarea continu, companiile vor cuta s dezvolte, chiar cu o frecven crescut, practici uniforme internaionale. n domeniul NDE, aceast orientare va conduce la apariia standardelor, a ofertelor educaionale mrite i a simulrilor care pot fi comunicate electronic.

14

n urmtorii ani va fi interesant dac NDE va continua s apar ca o disciplin inginereasc de sine stttoare. Propagarea undelor Testarea cu ultrasunete se bazeaz pe deformrile sau vibraiile variabile n timp n materiale, care sunt n general asociate ca acustice. Toate substanele materiale sunt formate din atomi, care pot fi forai ntr-o micare de vibraie n jurul poziiei lor de echilibru. Exist multe modele diferite de micare de vibraie la nivelul atomic, dar totui, multe dintre ele sunt irelevante pentru testarea acustic i cu ultrasunete. Testarea acustic se axeaz pe particulele care conin muli atomi care se mic la unison pentru a produce unde mecanice. Cnd un material nu este ntins sau comprimat peste limitele sale elastice, particulele sale realizeaz oscilaii elastice. Cnd particulele unui mediu sunt deplasate din poziia lor de echilibru, apar fore interne (electrostatice) de refacere. Aceste fore elastice de refacere dintre particule, combinate cu ineria particulelor, conduc la micri oscilatorii n acel mediu. n solide, undele sonore se pot propaga n patru moduri principale pe baza cii de oscilaie a particulelor. Sunetul se poate propaga ca unde longitudinale, unde tiate, unde de suprafa i n materiale slabe, unde plate. Undele longitudinale i tiate, sunt cele dou moduri de propagare folosite cel mai frecvent n testrile cu ultrasunete. Micarea particulelor responsabil cu propagarea undelor longitudinale i tiate este ilustrat mai jos.

n undele longitudinale, oscilaiile apar pe direcie longitudinal sau direcia de propagare a undei. Cnd sunt active fore de compresie i dilatare n aceste unde, acestea se mai numesc unde de presiune sau de compresie. Alteori acestea se mai numesc unde de densitate deoarece densitatea particulelor fluctueaz odat cu micarea 15

lor. Undele de compresie pot fi generate n lichide i n solide de ctre o serie de micri de compresiune i ntindere, deoarece energia trece prin structura atomic. n undele transversale sau tiate, particulele oscileaz la un unghi drept sau transversal fa de direcia de propagare. Undele tiate necesit un material solid acustic pentru propagarea efectiv, deci, nu se propag eficient n materiale cum ar fi lichide sau gaze. Undele transversale sunt relativ slabe n comparaie cu cele longitudinale. De fapt, undele transversale sunt de obicei generate n materiale folosind o parte din energia undelor longitudinale. Moduri de propagare a undelor sonore n aer, sunetele traverseaz prin compresia i rarefierea moleculelor de aer n direcia de propagare. Dei, n solide, moleculele pot suporta vibraii n alte direcii, sunt posibile mai multe tipuri de unde sonore. Cum s-a menionat anterior, undele longitudinale i transversale sunt cel mai adesea folosite n inspecia cu ultrasunete. Totui la suprafee i interfee, sunt posibile diferite tipuri de vibraii eliptice sau complexe ale particulelor fac posibile alte unde. Unele dintre aceste moduri de und ca undele Rayleigh i Lamb sunt de asemenea folositoare pentru inspecia cu ultrasunete. Tabelul de mai jos nsumeaz multe, dar nu toate, din modurile de und posibile n solide: Tipuri de unde n solide Longitudinale Transversale De suprafa Rayleigh Unde plate Lamb Unde plate Love Stoneley Rayleigh) Sezawa (unde Vibraiile particulelor Paralel cu direcia undei Perpendicular pe direcia undei Orbit eliptic mod simetric Component perpendicular pe suprafa (und de extensie) Paralel cu planul stratului, perpendicular pe direcia undei scurse Unde ghidate de-a lungul suprafeelor interioare Mod antisimetric

Despre undele longitudinale i transversale s-a discutat n paginile anterioare, deci s aprofundm undele plate i de suprafa.

16

Undele de suprafa sau Rayleigh traverseaz suprafaa unui material solid relativ compact, penetrnd pn la adncimea de o lungime de und. Micarea particulei are o orbit eliptic. Undele Rayleigh sunt folositoare deoarece suntfoarte sensibile la defecte de suprafa i deoarece ele vor urma perimetrul suprafeei, curbele pot fi folosite s verifice suprafee pe care alte unde le verific mai greu.

Undele plate se pot propaga doar n metale foarte subiri. Undele Lamb sunt cele mai folosite unde plate n testrile nedestructive. Undele Lamb sunt unde de vibraie complexe care traverseaz ntreaga consisiten a materialului. Propagarea undelor Lamb depinde de densitate, proprietile elastice a materialului unei componente i ele sunt influenate categoric de frecvena selectat i densitatea materialului. Cu undele Lamb sunt posibile mai multe tipuri de vibraii a particulei, dar cele mai ntlnite sunt cele simetrice i asimetrice. Micarea complex a particulelor este similar cu orbitele eliptice pentru undele de suprafa.

Generarea undelor folosind traductoare piezoelectrice i traductoare acustice electromagnetice (EMAT) sunt tratate n urmtoarele seciuni. Proprietile undelor plane acustice Lungimea de und, frecvena i viteza

17

Printre proprietile undelor propagate n materialele solide izotrope sunt lungimea de und, frecvena i viteza. Lungimea de und este direct proporional cu viteza undei i invers proporional cu frecvena. Relaia dintre ele este artat n urmtoarea ecuaie:

Direcia de propagare a undei este de la stnga la dreapta, iar micarea liniilor indic direcia de oscilaie a particulei. Ecuaia de legtur dintre lungimea de und ultrasonor, frecvena i viteza de propagare este inclus n subsolul imaginii ntr-o form reorganizat. Valorile pentru lungimea de und, frecvena i viteza undei pot fi ajustate n csuele de dialog pentru a vedea efectul lor asupra undei. De menTionat c valoarea trebuie setat pentru a menine valoarea frecvenei ntre 0,1 i 1 MHz sau un milion de cicluri pe secund, iar viteza undei trebuie s fie ntre 0,1 i 0.7 cm/sec.

Cum se poate observa din ecuaie, o schimbare n frecven va duce la schimbare n lungimea de und. La o frecven de 0.2 i vitez de 0.585 (unde longitudinale n oel) i se noteaz lungimea de und rezultant. Se ajusteaz viteza la 0,48 (unde longitudinale n fier forjat) i se noteaz lungimea de und rezultant. Se crete frecvena pn la 0,8 i se notez lungimea de und scurtat n fiecare material. n testrile cu ultrasunete, lungimea de und cea mai scurt rezultat dintr-o cretere n frecven va furniza de cele mai multe ori informaii pentru detectarea celor mai mici discontinuiti. Despre aceasta se va discuta pe larg n urmtoarele materiale. Lungimea de und i detectarea defectelor

18

n testrile cu ultrasunete, inspectorul trebuie s ia o decizie asupra frecvenei traductorului care va fi folosit. Cum am vzut n paginile anterioare, schimbnd frecvena cnd viteza sunetului este fixat, va da o schimbare a lungimii de und a sunetului. Lungimea de und a ultrasunetului folosit are un efect nsemnat asupra probabilitii detectrii unei discontinuiti. O practic general este aceea c o discontinuitate trebuie s fie mai mare dect o jumtate de lungime de und pentru a fi anse considerabile de a fi detectat. Sensibilitatea i rezoluia sunt 2 termeni care sunt adesea folosii n inspecia cu ultrasunete pentru a descrie o abilitate a tehnicii de localizare a defectelor. Sensibilitatea este abilitatea de a localiza mici discontinuiti. Sensibilitatea n general crete cu creterea frecvenei (lungimi de und mai mici). Rezoluia este abilitatea sistemului de a localiza discontinuiti apropiate ntre ele n material sau localizate aproape de suprafa. Rezoluia crete n general cu creterea frecvenei. Frecvena undei poate deasemenea afecta capacitatea unei inspecii n diverse feluri. Deci, selectarea frecvenei optime de inspecie adesea implic meninerea unei balane ntre rezulatatele favorabile i nefavorabile ale seleciei. Inainte de a selecta frecvena inspeciei, structura granular, densitatea materialului, dimensiunea, tipul i locaia propabil a discontinuitii trebuie considerate. Odat cu creterea frecvenei, sunetele tind s se mprtie dintr-o structur granular larg i din mici imperfeciuni dintr-un material. Materialele forjate adesea au granule brute i alte elemente de mprtiere cer s se foloseasc frevene joase pentru evalarea acestor produse. Fierul forjat i alte materiale forjate cu structur granular direcional i curat, pot fi inspectate cu traductori cu frecven mai ridicat. Deoarece multe lucruri ntr-un material sunt probabil pentru mprtierea unei pri a energiei sunetului de frecven nalt, puterea de penetrare (sau adncimea maxim ntr-un material la care pot fi localizate fisuri) este de asemenea redus. frecvena are efect i asupra formei razei ultrasunetului. Raza desfurat, sau divergena razei din centrul axei traductorului, i cum este ea afectat de frecven, va fi discutat mai trziu. Trebuie menionat, pentru a nu fi ndrumai greit, c un numr de alte variabile va afecta de asemenea abilitatea ultrasunetelor de a localiza defecte. Acestea includ lungimea impulsului, tipul i tensiunea aplicat cristalului, proprietile cristalului, materialul de adaos, diametrul traductorului, i schema electric a instrumentului receptor. Acestea sunt detaliate n materialul despre raportul semnal-zgomot. 19

Propagarea sunetului n materiale elastice n paginile anterioare, s-a evideniat c undele sonore se propag datorit vibraiilor sau micrii de oscilaie a particulelor dintr-un material. O und ultrasonor poate fi vizualizat ca un numr infinit de mase sau particule oscilatorii conectate prin intermediul resorturilor elastice. Individual, fiecare particul este influenat de micarea celui mai apropiat vecin i forele elastice i ineriale de refacere acioneaz asupra fiecrei particule.

O mas ntr-o resort are o singur frecven de rezonan determinat de constanta de arc k i de masa sa m. Constanta de arc este fora de refacere a unui arc pe unitatea de lungime. n limita elastic a oricrui material exist o relaie de dependen liniar ntre deplasarea unei particule i fora care tinde s readuc particula la poziia sa de echilibru. Aceast dependen liniar este descris de legea lui Hooke. n termeni de model de arc, legea lui Hooke spune c fora de refacere datorat unui arc este proporional cu lungimea pe care arcul este ntins, i acioneaz n direcia opus. Matematic, legea lui Hooke se scrie F = -kx, unde F este fora, k este constanta arcului iar x este cantitatea de deplasare a particulei. Legea lui Hooke se reprezint grafic mai jos. De notat c resortul aplic o fora unei particule care este egal i de sens opus cu fora de tragere n jos a particulei.

20

Viteza sunetului Cnd legea lui Hooke se folosete mpreun cu legea a doua a lui Newton, poate explica anumite lucruri referitoare la viteza sunetului. Viteza sunetului ntr-un material este o funcie de proprietile materialului i este independent de amplitudinea undei sonore. Legea a doua a lui Newton zice c fora aplicat unei particule va fi echilibrat de masa i acceleraia particulei. Matematic, legea a doua a lui Newton se scrie F = ma. Legea lui Hooke zice deci c aceast for va fi echilibrat de ctre o for n sens opus i care este dependent de cantitatea de deplasare i de constanta arcului (F = -kx). Deci, dac fora aplicat i fora de revenire sunt egale, se poate srie ma=-kx. Semnul negativ indic faptul c fora este orientat n direcia opus. Deoarece masa m i constanta de arc k sunt constante pentru orice material dat, se poate observa c acceleraia a i deplasarea x sunt singurele variabile. Se poate observa de asemenea c ele sunt direct proporionale. Deci, dac deplasarea particulei crete, acelai lucru se ntmpl i cu acceleraia. Reiese c timpul care i trebuie particulei s se mite i s revin la poziia sa de echilibru este dependent de fora aplicat. Aadar, ntr-un material dat, sunetul va traversa totdeauna cu aceeai vitez indiferent de ct de multe fore sunt aplicate cnd alte variabile, ca temperatura, sunt meninute constante.

Ce proprieti ale materialului i influeneaz viteza sunetului? Desigur, sunetul se deplaseaz cu viteze diferite n materiale diferite. Aceasta deoarece masa particulelor atomice i constantele de elasticitate sunt diferite pentru 21

diverse materiale. Masa particulelor este legat de densitatea materialului, iar constanta de elasticitate este legat de constantele elastice ale materialului. Relaia general dintre viteza sunetului ntr-un solid i densitatea sa i constantele elastice este dat de urmtoarea ecuaie:

Unde V este viteza sunetului, C este constanta elastic, iar p este densitatea materialului. Aceast ecuaie poate lua diferite forme n funcie de tipul undei (longitudinale sau transversale) i n funcie de care dintre constantele elastice sunt folosite. Constantele elastice tipice ale materialelor includ: Modulul lui Young, E: o constant de proporionalitate ntre solicitarea uniaxial i tensionare; Raportul lui Poisson, n: raportul tensionare radial/tensionare axial; Modulul Bulk, K: o msur a incompresibilitii unui corp supus presiunii hidrostatice; Modulul Shear, G: numit i rigiditate, o msur a rezistenei substanei la tiere; Constantele lui Lame, l i m: constante de material care sunt derivate din modulul lui Young i raportul lui Poisson. Cnd se calculeaz viteza undelor longitudinale, adesea se folosesc modulul lui Young i raportul lui Poisson, iar cnd se calculeaz viteza undelor tiate, se folosete modulul de tiere. Este adesea mai convenabil s se realizeze calculele folosind constantele lui Lame, care sunt derivate din modulul lui Young i raportul lui Poisson. Trebuie de asemenea menionat c indicele ij ataat lui C din ecuaia de mai sus este folosit pentru a indica direcionalitatea constantelor elastice cu respectarea tipului de und i direciei n care parcurge unda. n materiale izotrope, constantele elastice sunt aceleai pentru toate direciile din material. Totui, majoritatea materialelor sunt anizotrope, iar constantele elastice difer pentru fiecare direcie. De exemplu, ntr-o pies de aluminiu laminat, granulele sunt alungite ntr-o direcie i comprimate n celelalte direcii, iar constantele elastice pentru direcia longitudinal sunt diferite de acelea pentru direciile transversale.

22

Cnd se compar vitezele de compresie i de tiere, se poate nota c viteza de tiere este aproximativ jumtate din cea de compresie. Vitezele sunetului pentru o varietate de materiale pot fi gsite n tabelele proprietilor ultrasunetelor, n seciunea de resurse generale ale acestui site. Atenuarea undelor sonore Cnd sunetele trec printr-un mediu, intensitatea sa se diminueaz cu distana. n materialele ideale, presiunea sunetului (amplitudinea semnalului) este redus doar de mprtierea undelor. Materialele naturale, totui, produc un efect care mai trziu va slbi sunetul. Aceste viitoare slbiri rezult din 2 cauze majore, care sunt mprtierea i absorbia. Efectul combinat al mprtierii i absorbiei se numete atenuare. Atenuarea nsi a sunetului ntr-un material nu este adesea de interes intrinsec. Totui, proprietile naturale i condiiile de ncrcare pot fi raportate la atenuare. Atenuarea adesea servete ca instrument de msurare care conduce la formarea teoriilor pentru explicarea fenomenelor fizice i chimice, care scad intensitatea ultrasonic.

Atenuarea ultrasonic este rata de descompunere a radiaiei mecanice la frecvena ultrasonic aa cum se propag prin material. O und pan de descompunere este exprimat astfel: A = A0e-z n aceast expresie, A0 este amplitudinea undei propagate ntr-un anumit loc. Amplitudinea A este amplitudinea redus dup ce unda a traversat distana z de la acest loc iniial. Cantitatea este coeficientul de atenuare a undei care se propag n direcia z. Dimensiunea lui este Np/lungime, unde neper (Np) este o cantitate adimensional. Constanta e este constanta lui Neper care este aproximativ egal cu 2.71828. Unitatea de msur a valorii atenurii n Np/lungime poate fi convertit n decibeli/lungime prin mprirea la 0.1151. decibelii sunt o unitate de msur folosit mai des cnd se compar amplitudinea a dou semnale.

23

Atenuarea este n general proporional cu ptratul frecvenei sunetului. Valori cotate ale atenurii sunt adesea date pentru o singur frecven, sau poate fi dat o valoare medie a atenurii pentru mai multe frecvene. De asemenea, valoarea actual a coeficientului de atenuare pentru un material dat este puternic dependent de felul n care este fabricat materialul. Astfel, valori cotate ale atenurii dau doar o indicaie brut asupra atenurii i nu trebuie crezut automat ca fiind adevrat. n general, o valoare rezonabil pentru atenuare poate fi obinut doar prin determinarea experimental a atenurii pentru materialul care va fi folosit. Atenuarea poate fi determinat prin evaluarea multiplelor reflexii vzute pe un display tpic A-scan ca acela artat n figura de mai sus. Numrul decibelilor dintre dou semnale adiacente este msurat i aceast valoare este mprit la intervalul de timp dintre ele. Acest calcul produce un coeficient de atenie n decibeli pe unitatea de timp Ut. Aceast valoare poate fi convertit la neperi/lungime prin urmtoarea ecuaie:

Unde v este viteza sunetului n m/s iar Ut n dB/s. Raportul semnal/zgomot ntr-o pagin anterioar, s-a discutat despre efectul pe care il are frecvena sau lungimea de und asupra detectrii defectelor. Oricum, detectarea defectelor implic muli factori diferii de cei din relaia de legtur dintre lungimea de und i dimensiunea defectului. De exemplu, cantitatea de sunet care se reflect dintr-un punct de defect este deasemena dependent de impedana acustic dintre defect i materialul mprejmuitor. Un gol este n general un reflector mai bun dect o incluziune metalic deoarece impedana de nepotrivire este mai mare intre aer i metal dect aceea ntre metal i un alt metal. Adesea, materialul mprejmuitor a concur reflexii. Microstructura granular n metale i agregatul materialului sunt cteva exemple. O bun msur a detectabilitii defectelor este raportul sau semnal/zgomot (S/N). Acesta este o msur a cum se separ semnalul de defect de alte reflexii de fundal. (numite zgomote). Un raport

24

semnal/zgomot de 3/1 se cere adesea ca minim. Nivelul absolut de zgomot i puterea absolut a unui ecou dintr-un mic defect depinde de anumii factori: Dimensiunea probei i proprietile focale; Frecvena probei, lrgimea benzii i eficiena; Calea de inspecie i distana (ap i/sau solid); Interfaa (suprafaa de curbur i umfltura); Locaia defectului cu respectarea razei de inciden; Zgomotul intrinsec al microstructurii metalului; Reflectivitatea intrinsec a defectului care este dependent de impedana sa acustic, dimensiune, form i orientare; Crpturi i defecte volumetrice pot reflecta unde ultrasonice total diferit. Multe crpturi sunt invizibile dintr-o direcie i puternic reflectorizante din alt direcie; Defectele multifaate vor tinde s mprtie sunetul n afara traductorului. Formula urmtoare relaioneaz cteva variabile care afecteaz raportul semnal/zgomot (S/N) a unui defect:

Mai exact, intrnd n detaliile acestei formule, se pot sublinia cteva relaii de legtur fundamentale. Raportul semnal/zgomot (S/N) i deci detectabilitatea unui defect crete cu creterea dimensiunii defectului (amplitudinea de mprtiere). Detectabilitatea defectului este direct proporional cu dimensiunea sa, crescnd cu creterea dimensiunii. Cu alte cuvinte, detectabilitatea defectului este invers proporional cu limea razei traductorului, crescnd cu scderea limii impulsului (delta t). Deci, detectablitatea defectelor este invers proporional cu durata impulsului produs de un traductor ultrasonic. Cu ct impulsul este mai scurt (adesea cea mai nalt frecven), cu att va fi mai bun detectarea defectului. Impulsurile mai scurte corespund cu lrgirea limii de band a frecvenei de rspuns. Vezi figura de mai jos care arat forma de

25

und a traductorului i spectrul su corespunztor de frecven, scade n materiale cu densitate ridicat i/sau o vitez ultrasonic ridicat. Raportul semnal/zgomot (S/N) este invers proporional cu densitatea materialului i viteza acustic n general crete cu frecvena. Oricum, n unele materiale, ca aliaje cu titan, termenii Aflaw i Figura de Merit (FOM) n ecuaie se schmb cu aproximativ rata de schimbare a frecvenei. Deci, n unele cazuri, raportul semnal/zgomot poate fi ntr-un fel sau altul independent de frecven.

Interaciunea sau interferena undelor Inainte s trecem la urmtoarea seciune, subiectul despre interaciunea undelor trebuie s fie dezvoltat deoarece este important pentru nelegerea performanei unui traductor ultrasonic. n paginile anterioare, propagarea undei a fost tratat ca o singur und sinusoidal care se propag prin material. Oricum, sunetul care este emis dintr-un traductor ultrasonic nu i are originea ntr-un singur punct, ci n mai multe puncte de-a lungul suprafeei elementului piezoelectric. Aceasta rezult ntr-un cmp sonor cu mai multe unde care interacioneaz sau interfereaz ntre ele. Cnd undele interacioneaz, ele se suprapun una peste alta, iar amplitudinea presiunii sonore sau a deplasrii particulei la orice punct al interaciunii este suma amplitudinilor celor dou unde individuale. Mai nti s considerm dou unde identice care provin din acelai punct. Cnd ele sunt n faz (deci vrfurile i vile uneia sunt aliniate perfect cu acelea ale celeilalte), combinarea lor duce la dublul deplasrii pentru fiecare und care acioneaz separat. Cnd sunt complet defazate (deci vrfurile unei unde sunt aliniate exact cu vile celeilalte), combinarea lor duce la eliminarea reciproc. Cnd cele dou unde nu sunt complet n faz sau defazate, unda rezultant este suma amplitudinilor undelor pentru toate punctele de-a lungul undei.

26

Cnd

originea

celor

dou

unde

care

interacioneaz nu este aceeai, estu puin mai greu s se redea interaciunea undelor, dar principiile sunt aceleai. Pn acum, am privit la unde n forma unui plot 2d a amplitudinii undei versus poziia undei. Totui, oricine a scpat ceva ntr-o piscin cu ap, poate reprezenta undele care radiaz de la surs cu un front de und circular. Dac sunt scpate dou obiecte la o mic distan n piscina cu ap, undele lor vor radia de la surse i vor interaciona ntre ele. La fiecare punct n care undele interacioneaz, amplitudinea deplasrii particulei este suma combinat a amplitudinii deplasrii particulei pentru fiecare und n parte. Cu un traductor ultrasonic undele se propag din traductor cu un front de und circular. Dac ar fi posibil s le facem s se propage dintr-un singur punct de pe faa traductorului, cmpul sonor va aprea n imaginea de jos. Se consider suprafeele luminate ca fiind suprafee de refracie i suprafeele ntunecate ca fiind cele de compresie.

Totui, aa cum s-a stabilit anterior, undele sonore provin din mai multe puncte de pe faa traductorului. Imaginea de mai jos red felul n care va arta cmpul sonor dac undele provin doar din dou puncte. Se poate vedea c, acolo unde interacioneaz undele, exist suprafee de interferen constructiv i distructiv. Punctele de

27

interferen constructiv se mai numesc noduri. Desigur, exist mai mult de dou puncte de-a lungul feei traductorului. Imaginea de mai jos arat 5 puncte de origine ale sunetului. Se poate vedea c lng faa traductorului exist fluctuaii extensive sau noduri, iar cmpul sonor este foarte accidentat. n testrile cu ultrasunete aceasta se numete cmpul apropiat (zona apropiat) sau zona Fresnel. Cmpul sonor este mai uniform nafara traductorului n cmpul ndeprtat, sau zona Fraunhofer, unde razele sun t mprtiate ntr-o form pornind din centrul traductorului. Trebuie notat c, chiar n cmpul ndeprtat nu este un font de und uniform. Totui, la anumite distane de la suprafaa traductorului i central la faa traductorului se dezvolt un cmp de und uniform i intens. Mai multe puncte de origine a sunetului de-a lungul suprafeei traductorului, cmp sonor puternic i uniform.

Mai multe puncte de origine a sunetului de pe suprafaa traductorului Cmp sonor puternic uniform

Curbura i aria pe care sunetul este generat, viteza cu care undele sonore traverseaz materialul i frecvena sunetului afecteaz cmpul sonor. Folosind aplicaia Java din dreapta, pentru a experimenta cu aceste variabile, se vede cum este influenat cmpul sonor. 28

29

Introducere n analiza cu ultrasunete a materialelor Testrile nedistructive cu ultrasunete este o tehnic multilateral care poate fi aplicat la o larg varietate de aplicaii de analiz a materialelor. Ct timp testarea NDT cu ultrasunete este probabil mai bine cunoscut n aplicaiile sale mai des ntlnite pentru msurarea grosimii, detectarea fisurilor, vizualizarea acustic, undele sonore de nalt frecven pot fi folosite pentru a diferenia i cuantifica unele proprieti de baz mecanice, structurale sau compoziionale ale solidelor i lichidelor. Analiza ultrasonic a materialelor se bazeaz pe un principiu simplu al fizicii: micarea oricrei unde va fi afectat de mediul prin care se propag. Astfel, schimbarea unuia sau a mai muli din cei patru parametrii uor msurabili asociai cu trecerea unei unde sonore de nalt frecven printr-un material timpul de parcurgere, atenuarea, mprtierea i coninutul de frecvene pot fi adesea corelate cu schimbri n proprietile fizice cum ar fi duritatea, modulul de elasticitate, densitatea, omogenitatea, sau structura granular. Principii Testrile NDT cu ultrasunete folosesc intervalul de frecvene de la aproximativ 20 KHz la peste 100 MHz, cele mai multe lucrri s-au realizat ntre 500 KHz i 20 MHz. Modurile de vibraie longitudinal i transversal sunt ntrebuinate n mod obinuit, precum i undele de suprafa (Rayleigh) i plate (Lamb) n unele cazuri specializate. Deoarece lungimile de und mai mici sunt mai sensibile la schimri n mediul prin care trec, multe aplicaii de analiz a materialelor vor beneficia din folosirea frecvenelor cele mai nalte pe care piesa le poate suporta. Impulsurile sonore sunt n mod normal generate i recepionate de ctre traductori piezoelectrici care au fost cuplai acustic la materialul de testat. n cele mai multe cazuri, un singur traductor cuplat pe o parte a piesei de testat servete i ca emitor i ca receptor (modul impuls/ecou), dei n anumite situaii care implic atenuri puternice sau materiale de mprtiere, traductori de transmiterea separat de cei de recepionare sunt folosii pe parile opuse ale piesei (prin modul de transmisie). O und sonor este lansat prin excitarea traductorului fie cu un vrf de tensiune fie cu un impuls de und continuu. Unda sonor se propag prin materialul testat, ori se va reflecta n partea ndeprtat pentru a se ntoarce n punctul su de origine (impuls/ecou), ori va fi recepionat de un

alt traductor la acel punct (prin transmisie). Semnalul recepionat este amplificat i analizat. O varietate de instrumentaie comercial este disponibil n acest scop, utiliznd procesarea semnalului analog i digital. Un avantaj semnificativ al testrii cu ultrasunete fa de metodele de analiz a materialelor este acela c poate fi adesea realizat n proces sau on-line. Unde sonore de nalt frecven pot fi transmise cu succes n interiorul i exteriorul materialelor n micare fr contact direct, prin intermediul folosirii unei bi de ap sau vapori de ap ca mediu de cuplaj. Msurrile pot fi deasemenea realizate n containere nchise prin cuplarea energiei sonore prin perete. Deoarece undele sonore penetreaz specimenul test, proprietile materialului sunt msurate n volum mai exact dect doar la suprafa. Este chiar posibil uneori, prin folosirea unei reele selective, s se analizeze doar unul din straturile unui material farbricat. Parametrii de msurare relevani vor fi tipic unul sau mai muli din urmtorii: 1. viteza sunetului/timpul de trecere a impulsului: viteza sunetului este n general parametrul ultrasonic cel mai simplu de msurat. Viteza sunetului ntrun mediu omogen este legat direct de modulul de elasticitate i de densitate; astfel, schimbri ale modulului de elasticitate sau densitii va afecta timpul de trecere a impulsului printr-o prob de grosime dat. n plus, varierea gradelor de neomogenitate poate avea efect asupra vitezei sunetului. 2. Atenuarea: energia sonor este absorbit sau atenuat cu diferite rate n diferite materiale, conduse ntr-un mod complex de efectele interactive ale densitii, duritii, vscozitii i structurii moleculare. Atenuarea crete n mod normal cu frecvena ntr-un material dat. 3. mprtierea: undele sonore reflect din graniele dintre materialele neasemntoare. Schimbri n structura granular, orientarea fibrelor, porozitatea, concentraia de particule i alte variaii microstructurale pot afecta amplitudinea, direcia i coninutul de frecvene ale semnalelor mprtiate. Efectele de mprtiere pot fi monitorizate indirect prin observarea schimbrilor n amplitudine a ecoului reflectat sau a unui semnal prin transmisie. 4. Coninutul (spectrul) de frecvene: toate materialele tind s acioneze la anumite grade ca filtre trece jos, atenund sau mprtiind componentele de frecven nalt a unei limi de band a undei sonore mai mult dect componentele de joas frecven. Astfel, analiza schimbrilor n coninutul de frecvene rmas dintr-o band larg selectat a unui impuls care a trecut prin

materialul testat poate urmri efectele combinate ale atenurii i mprtierii cum s-a descris mai sus. n unele aplicaii datele ultrasonice cum ar fi viteza poate fi direct folosit pentru calcularea proprietilor (modulul de elasticitate). n alte cazuri, testarea ultrasonic este o tehnic comparativ, unde, cu scopul de a stabili un protocol de test ntr-o aplicaie dat, va fi necesar s se evalueze experimental standarde de referin reprezentnd irul de stri ale materialului care vor fi cuantificate. De la asemenea standarde va fi posibil s se nregistreze cum variaz parametrii de transmitere a sunetului cu schimbri n proprietile specifice ale materialului, iar apoi, din informaiile de baz va fi posibil s se identifice sau s se prezic schimbri similare n probele test. Echipamente O mare varietate de instrumentaie ultrasonic poate fi folosit n aplicaiile de analiz a materialelor. Viteza sunetului poate fi msurat cu un instrument simplu portabil ultrasonic de msurare a grosimii, n timp ce viteza, atenuarea i efectele de mprtiere pot fo observate cu detectoare de defecte moderne digitale. Emitorul/receptorul de impuls cu echipamente auxiliare adecvate i sisteme de vizualizare ultrasonice cu programe soft corespunztoare pot fi folosite pentru a cuantifica toate aceste proprieti i s se realizeze de asemenea testele de analiz spectral (coninutul de frecvene). Aplicaii Ceea ce urmeaz este un sumar a unor aplicaii specifice de analiz a materialelor unde au fost folosite i documentate tehnicile ultrasonice. O discuie extensiv, precum i bibliografii despre subiect, pot fi gsite n textele de ASNT1 i Lynnworth2. ambele cri sunt recomandate ca surs a viitoarelor informaii detaliate privind procedurile de test i cerinele de instrumentaie specifice.

Modulul de elasticitate: modulul lui Young i modulul de tiere n materialele nedispersive, omogene, pot fi calculate din viteza undelor longitudinale i transversale (mpreun cu densitatea materialului). Folosirea ghidurilor de und adesea permit msurri la temperaturi mari.

Nodularitatea n fier forjat: concentraia grafitului n fierul forjat i modelul i forma sa pot fi cuantificate prin msurarea vitezei. Rata de refacere n epoxizi i beton: viteza sunetului n aceste materiale se schimb cu ct ele sunt mai ntrite; astfel, surarea vitezei sunetului poate fi corelat cu gradul de protejare pn la ntrire. Testarea betonului de obicei necesit accesul la ambele fee pentru cuplarea printre-transmisii.

Concentraiile lichidelor: rata de amestec a dou lichide cu viteze ale sunetului diferite poate fi corelat viteza sunetului n soluie la o temperatur dat. Densitatea pastelor: rata de amestec lichid/solid a pastelor de tipul noroi de foraj i hrtie cu noroi la o temperatur dat poate fi corelat cu viteza sunetului i/sau atenuarea.

Densitatea n ceramice: uniformitatea densiti n ceramicile verzi i lucioase pot fi verificate prin mijloacele msurrii vitezei sunetului. Polimerizarea n materialele plastice: n materialele plastice i ali polimeri, variaiile n structura molecular cum ar fi lungimea sau orientarea lanurilor polimerului vor rezulta n schimbri corespunztoare a vitezei sunetului i/sau atenuarea.

Dimensiunea i distribuia particulelor sau porozitilor: schimbrile n dimensiunea sau distribuia particulelor sau porozitilor ntr-un mediu solid sau lichid va afecta amplitudinea i frecvena ultrasunetului mprtiat.

Dimensiunea granulelor n metale: schimbri n dimensiunea sau orientarea granulelor n oel, fier forjat, titan i alte metale, vor determina schimbri n amplitudinea, direcia i/sau coninutul de frecvene a ultrasunetului mprtiat.

Anizotropia n solide: variaii n viteza sunetului, mprtiere i/sau atenuare peste diferite axe ale solidului pot fi folosite pentru a identifica i cuantifica anizotropia. Msurarea frecvenei: termometrele ultrasonice au fost folosite la msurarea temperaturilor foarte nalte (peste 3000 0C) prin monitorizarea schimbrilor vitezei sunetului ntr-un mediu de referin.

Combinnd tehnologiile cu ultrasunete i vibraii, fiecare va aduce mai mult

Tehnologiile de mentenan preventiv sunt extensii ale simurilor noastre, care ne permit s vedem, auzim i s simim peste capacitile noastre umane. Camerele cu infraroii ne permit s vedem i s msurm energia caloric din afara spectrului vizibil. Colectorii de date de vibraii extind capacitatea noastr de a simi, msura i interpreta micile micri ale mainilor. Colectorii ultrasonici de date extind gama de percepie a urechii umane permindu-ne s auzim, msura i urmri micro schimbrile din nivelele de frecare dintre elementele mainilor de producie. Singure, fiecare din aceste tehnologii (i altele) ne aprovizioneaz cu o privire critic despre starea echipamentelor. Prin integrarea datelor colectate din tehnologiile predictive, ne punem n situaia de a lua o decizie n cunotin de cauz i mai sigur. Toi suntem familiarizai cu clieul medical "ntreab pentru o a doua opinie". Combinnd punctele forte ale colectrii datelor ultrasonice i de vibraie, practicm aceeai filozofie de via. Cnd simurile lucreaz mpreun, o varietate de informaii este livrat creierului. Datorit abilitii creierului de a procesa aceste date complementare, se ajunge la o mai bun i mai complet decizie. De exemplu, cnd simul tactil simte "acesta este fierbinte" iar cnd simul vederii vede "oala fierbe" iar simul auzului detecteaz faptul c "alarma de fum sun", creierul spune restului corpului cum s reacioneze mai bine. Ce se ntmpl cnd tehnologiile predictive pe care le folosim s diagnosticm starea mainii sunt combinate s lucreze mpreun, n loc s lucreze separat i izolat fiecare una de alta? Tehnologiile lucrnd mpreun adecvat, devin o for complex cu acelai scop. Ca o adevrat munc n echip mpreun, fiecare aduce mai mult. Scopul, ne este de folos cu o varietate informaii sigure i exacte care permit luarea unor decizii corecte i n cunotin de cauz pentru susinerea i extinderea duratei de via a mainilor. Acest document este dedicat explorrii posibilitilor de intensificare a mentenanei predictive prin integrarea a dou tehnologii importante: monitorizarea strii cu ultrasunet i analiza vibraiilor. Se relateaz cum apropierea unor companii de integrarea multiplelor tehnologii predictive le-a ajutat s stabileasc un departament de fiabilitate de mare clas, care este invidia concurenei lor. Tehnologia convenional cu ultrasunete sesizeaz unde sonore cu frecvene nalte i le transform n semnale corespunztoare audibile care pot fi auzite cu cti

atenuatoare de zgomot. Tehnologia avansat cu ultrasunete, n plus, msoar cu precizie datele ultrasonice pentru nregistrare, procesare i urmrire. Toate mainile produc sunete care sunt reprezentate printr-un spectru larg de frecvene. Detectoarele de ultrasunete din aer sau din structur folosesc un cristal piezoelectric sensibil ca element de sesizare pentru a detecta poriunea de nalt frecven a acestui sunet n timp ce filtreaz i elimin undele parazite de joas frecven. Aceste unde ultrasonore vibrnd nspre cristal, creeaz o ncrcare electric care este amplificat i apoi translat ntr-o frecven audibil. Cei care verific pot asculta semnalul calitativ prin intermediul unor cti i pot msura semnalul pe ecranul detectorului. Unele aplicaii industriale ale ultrasunetelor aeropurtate includ: 1. Detectarea scurgerilor; 2. Inspecii electrice; 3. Inspecii ale valvei i a trapei de aburi; 4. Monitorizarea strii mecanice; 5. Monitorizarea lubrifierii predictive. Ultrasunete: un concept de sunet Costul sensibil actual n jurul mentenanei dicteaz o tehnologie eficient, simpl de folosit unde sunt implicate costul materialelor i instruirea personalului. O astfel de tehnologie este monitorizarea cu ultrasunete. Majoritatea sistemelor i echipamentelor genereaz zgomote operaionale de anumit fel, iar n timpul defectelor, zgomotele caracteristice se pot schimba dramatic. Detectnd aceast schimbare i fixnd problema nainte de defectare, se poate obine o producie de mai bun calitate, reducerea timpului de ntrerupere, reducerea orelor suplimentare de mentenan i costuri mult reduse. n formele sale cele mai simple, zgomotul este o vibraie a moleculelor ntr-un mediu, cum ar fi aerul, grsimea, metalul, care se deplaseaz sferic n exteriorul sursei. Vibraiile pot fi reduse la nivele de energie de frecvene discrete i cnd urechea uman detecteaz aceste nivele i frecvene, le transleaz n intensiti i tonuri care sunt apoi transmise creierului. Urechea uman poate detecta frecvene ntre 20 Hz i 20 kHz. Acest interval este numit intervalul audibil sau sonic. Frecvenele mai mari de acest nivel se numesc ultrasunete. Instrumentele ultrasonice msoar frecvenele ultrasonice

i, printr-un proces numit heterodinare, transleaz frecvenele n intervalul audibil. Mai mul, instrumentele vor da de obicei un tip de indicaie vizual (un display digital sau un aparat analog de msur) a intensitii zgomotului fie sub form de procente din ieirea instrumentului, fie o msurare a sunetului actual calibrat n dB. Cum s-a formulat anterior, , ceea ce face att de folositoare monitorizarea zgomotului ultrasonor, este numrul de sisteme i echipamente care emit astfel de zgomote cnd apar probleme sau chiar defecte. Cele mai eficiente aplicaii industriale sunt: detectarea scurgerilor n sisteme presurizate sau vidate, verificarea trapelor de vapori, analize mecanice (n special la rulmeni), verificarea valvelor, i detectarea descrcrii corona sau a descrcrilor pariale. Datorit naturii undelor de nalt frecven, zgomotul ultrasonor tinde s fie localizat precis i dirijat puternic. Aceste dou aspecte tind s fac destul de simple analiza i detectarea zgomotului ultrasonor, cu puin antrenament, personalul de mentenan i poate aduce mari contribuii la linia de baz. O ultim not: ntotdeauna se urmresc proceduri sigure cnd n jur sunt echipamente operaionale, linii de presiune i de abur sau echipamente electrice. Scpri n sisteme presurizate De departe, cea mai ntlnit utilizare a detectrii zgomotului ultrasonor este localizarea scprilor n sistemele cu gaz sub presiune sau n sistemele vidate. Cnd un gaz, ca aerul, scap de la presiune mare la presiune mai mic printr-un orificiu, curgerea devine turbulent, genernd zgomot ultrasonor. Zgomotul este identificat caracteristic ca un sunet zgomotos cu cteva frecvene perceptibile. Liniile de ghidare generale pentru gsirea scprilor sunt dup cum urmeaz: mai nti, se seteaz nivelul volumului tunului astfel nct zgomotul de fundal normal al uzinei, s fie n apropierea pragului minim al auzului. Apoi, se mut aparatul de-a lungul linilor sistemului de gaz/aer care trebuie verificat. Cnd sunt auzite zgomotele tipice scprilor, se mut uor aparatul n sus, jos, stnga i dreapta n form de cruce pentru a determina care orientare sun cel mai puternic. Cu aparatul ndreptat n direcia cea mai zgomotoas, se ncepe micarea ctre sunet pn cnd se gsete componenta care are scurgeri. O ntrebare frecvent este: "Costul material al unei scurgeri poate fi determinat din nivelul de zgomot al scurgerii?". Sunt muli factori implicai n acest tip de analiz, cum ar fi diferena de presiune, forma gurii, dimensiunea gurii, dac scurgerea este trangulat sau nu, umiditatea, temperatura, calibrarea instrumentului, etc. Dei o relaie

general ntre zgomot i intensitatea de scurgere poate fi fcut pe baza datelor empirice, aceste numere sunt ct se poate de bune linii de ghidare. Este necesar o cercetare suplimentar pentru a determina cum vor influena calculele ceilali factori. Analizele trapelor de aburi Toate sistemele de abur, indiferent de ct de bine sunt izolate, vor pierde o parte din abur prin condensare. Condensarea trebuie nlturat, altfel va blti n punctele joase ale sistemului. Cnd se adun o cantitate suficient de condens, va ncepe s onduleze n unde datorit trecerii rapide a aburului deasupra sa, asemenea cum un lac vlurete la adierea vntului peste el. Prin continuarea ondulrii, dimensiunea valurilor va crete pn cnd aburul va ridica realmente condensul, dndu-i forma unui dop i mpingndu-l prin conduct. Acest dop de ap se va transforma n izbitur n urmtoarea ramificaie, sau mai ru, component (turbin, boiler, etc.) cu vitez mare. Acest fenomen se numete "ciocan de ap" i este, n mod evident, ceva ce trebuie evitat. Trapele de abur sunt plasate periodic n sistem pentru nlturarea condensului din sistemele de abur. Trapele de abur sunt, n fond, mici valve, a cror scop este s in aburul ntr-un sistem, dar s lase tot condensul, aerul i alte gaze, s ias n conductele de ntoarcere pentru recondiionare. Datorit complexitii sistemelor de abur, nu exist o formul rapid pentru a determina dac o trap de abur lucreaz corect sau nu. Dei exist unele teste clare care pot fi fcute, nici o metod nu va lucra n orice situaie. Unele din aceste teste sunt: ascultarea ciclului de descrcare a sifonului, verificarea temperaturii orificiului de intrare i ieire, i compararea acestor temperaturi. Cnd un sifon de abur este dimensionat corect i lucreaz corect, se va descrca i se ca nchide periodic. Dac sifonul nu se va descrca, atunci el ori este deschis greit, ori nchis greit. Ciclul de descrcare a sifonului poate fi monitorizat prin ascultarea orificiului de ieire. n general vorbind, n timpul descrcrii, nivelul intensitii ultrasonice la orificiul de ieire al sifonului trebuie s fie mai mare dect la cel de intrare. Totui, chiar dac sifonul este ascultat pentru a fi descrcat periodic, zgomotul de la evacuare trebuie caracterizat pentru a se asigura c este un indicator al zgomotului scurgerii turbulente i nu sunetul precipitat al aburului (aceasta cere experien pentru a se atepta la o acuratee rezonabil). Alt test clar este msurarea temperaturilor de la orificiile de intrare i ieire i compararea rezultatelor in anumite condiii specifice. De exemplu, dac temperatura

liniei de ieire este mult peste 212 oF (100 oC), exist o mare probabilitate ca sifonul s permit aburului s izbeasc prin el i l poate deschide eronat. Dac conducta de intrare a fost rcit pn la temperatura mediului ambiant, exist o probabilitate mic, ca orice s curg prin sifon. Aceasta poate fi cauzat de eecul sifonului n starea nchis sau de ctre alte cteva probleme, cum ar fi ca o valv de contracurent s fie nchis cnd nu trebuia s fie. n plus, trebuia s fie o diferen de temperatur ntre liniile de ieire i de intrare ale capetelor sifonului, cnd funcioneaz corect, un amestec de abur i condens intr n sifon i doar condensul prsete sifonul. Dei orice tip i dimensiune a sifonului poate fi unic i trebuie monitorizat pentru a-i determina propriile caracteristici de temperatur, o mic diferen de temperatur ntre cele dou locaii este un bun indicator c trebuie fcute verificri ulterioare. Inspecia mecanic Unul din principalele surse de zgomot ultrasonic n echipament este frecarea dintre dou obiecte n micare relativ unul fa de cellalt. Aceasta este cea mai des ntlnit la rulmeni. Fie datorit condiiilor de lubrifiere improprii, fie defectelor mecanice, contactul metal-metal va genera cantiti importante de zgomot. Analiza tradiional a vibraiei a artat c cele mai multe defecte mecanice (gropi, crpturi, achii, etc) genereaz zgomot n intervalul sonic. Oricum, tunurile ultrasonoce care au ajustare a frecvenei i sunt destul de sensibile, pot detecta aceste defecte. Pentru a monitoriza efectiv rulmenii, n primul rnd trebuie stabilit un nivel de baz de dB pentru rulment la rularea corect. Se folosete alt tehnologie, ca analiza vibraiei, sau se compar acest rulment cu ali rulmeni n aplicaii similare pentru a fi siguri c rulmentul este ntradevr ntr-o stare bun. Apoi, se urmrete aceast valoare prin citirile ulterioare i se urmresc schimbri. Exist unele liniii de ghidare generale pentru evaluarea strii rulmentului pe baza creterii nivelului de dB, de exemplu pentru o cretere de 6-9 dB se verific lubrifierea, iar o cretere de 10-12 dB poate indica nceputul defectrii rulmentului. O cauz obinuit a defectrii rulmentului este supra sau sub-lubrifierea. Un rulment slab lubrifiat va permite contactul metal-metal i uzura, n timp ce un rulment cu mult lubrifiant se va nclzi i probabil vor pocni plombele rulmentului. Rulmenii slab lubrifiai vor suna ca un zgomot general (mic sau fr impact) i va genera zgomot

n jur de 25 kHz, dei ncrcri puternice ale rulmentului pot duce cumva la scderea acestora. Pentru a lubrifia eficient un rulment, trebuie stabilit o linie de citire de baz la 25 kHz. Apoi, cum verificri ulterioare indic o cretere n dB la 25 kHz se monitorizeaz rulmentul n timpul lubrifierii. Cnd s-a adugat lubrifiantul, nivelul de zgomot trebuie s scad. Cnd nivelul de dB se apropie de linia de baz, lubrifierea nceteaz. Nu trebuie supra-lubrifiat un rulment. O precizare pentru atenie: poate trece un timp nainte ca lubrifiantul s se mprtie prin suprafeele interioare a rulmentului, deci lubrifierea trebuie realizat ncet. Inspecia valvelor Valvele se inspecteaz similar cu trapele de abur prin verificarea nivelelor intensitii sunetului la orificiile nferioare i superioare ale valvei. Dac nivelul de sunet la orificiul inferior al valvei este mai mare dect la cel superior, atunci valva este, n funcie de tip, probabil deschis parial sau total. Uneori, dac nivelul de sunet la orificiul inferior al valvei este mai mic dect la cel superior (sau foarte mic), nseamn c valva posibil s fie nchis. Totui, aceasta nu este ntotdeauna adevrat. Zgomotul ultrasonic este generat cnd apare o curgere turbulent, cum ar fi curgerea napoi care se formeaz cnd lichidul sau gazul curge printr-o valv parial deschis. Mai mult dect att, nivelul de intensitate al zgomotului, este direct proporional cu rata de curgere. Dac o valv este complet deschis i configuraia sa este n aa fel nct ea nu interfereaz semnificativ cu scurgerea fluidului prin conduct sau rata de curgere este destul de mic, curgerea va fi laminar, iar curgerea la orificiul inferior va genera puin zgomot ultrasonic. Pentru a spune succint, neauzind nimic mai jos devalve nu nseamn neaprat c valva este nchis. Pentru a fi mai siguri se folosete un detector sonic la orificiul inferior al valvei (sau poate pe suportul valvei) deoarece curgerea laminar va genera zgomot sonic. Dac, ascultnd cu un senzor sonic i un senzor ultrsonic, nu se aude nici un sunet la orificiul inferior al valvei, nseamn c valva este probabil nchis. Inspecii electrice O ultim aplicaie pentru monitorizarea ultrasonic este detectarea acului electric (electricitate trecnd prin aer), descrcarea coron (ionizarea aerului n jurul conductoarelor electrice), sau strpungerea izolaiei electrice. Cutarea problemelor

electrice este similar cu cutarea scprilor de gaz, n care, cu senzori n suspensie n cuva tunului, n jurul echipamentului electric i ascultarea sunetului de defect electric ca pocnituri, bzit sau crpturi. Apoi, se deplaseaz nspre locul n care sunetul este cel mai slab. Pentru situaiile n care sursa zgomotului nu este atins sau locaia exact nu poate fi determinat uor, majoritatea echipamentelor ultrasonice au ca accesorii reflectoare parabolice. Un reflector parabolic, de obicei, va dubla intervalul efectiv al unui senzor standard n suspensie i va mbunti puternic dirijarea. Concluzii Instrumentele ultrasonice au o larg serie de aplicaii efective i pot servi optim ca prima linie de aprare mpotriva strpungerilor. Ct timp o tehnologie singur nu poate oferi soluii totale pentru toate problemele posibile de mentenan care pot apare, combinnd monitorizarea ultrasonic cu alte tehnologii, ca analiza vibraiei, a uleiului i analiza termografic, pot reduce puternic numrul de defectri ale echipamentului, numrul de personal de supraveghere, energia consumat i pot mbunti calitatea sistemului i a produsului. Tehnologii cu vibraii i ultrasunete: un posibil instrument de inspecie integrat? 1. Introducere Scopul acestui capitol este de a introduce monitorizarea strii i planificarea fiabilitii n principiile folosirii ultrasunetelor pentru evaluarea strii mainii. Tehnologia cu ultrasunete poate fi o tehnologie complementar monitorizrii vibraiei, termografierii i lubrifierii. Trebuie accentuat faptul c aceasta este rareori de succes ca tehnologie de sine stttoare pentru evaluarea efectiv a strii mainii i pentru planificarea mentenanei cerut ulterior. Acest capitol se concentreaz pe folosirea ultrasunetelor aero-purtate ca o tehnic complementar particular pentru utilaje care posibil s fie inaccesibile datorit ngrdirilor sau a locaiilor periculoase. 2. Ce sunt ultrasunetele?

Ultrasunetele se definesc ca fiind unde de sunet de nalt frecven, care sunt peste nivelul percepiei umane. De obicei, acestea pornesc de la 20 kHz i ajung pn la ordinul megahertzilor. Ultrasunetele aero-purtate acoper frecvene de la 20 kHz pn la 300 kHz. 3. Cum funcioneaz aparatura? Instrumentele de aero-purtare a ultrasunetelor ofer dau informaii pe mai multe ci: calitativ, prin capacitatea lor de a ultrasunetele prin intermediul unor cti izolatoare de zgomot, i cantitativ pe calea citirilor continue pe un contor/panou de afiare. Instrumentele digitale furnizeaz nregistrri de date on-board pentru exploatarea datelor i pentru a vedea datele de baz. Unele versiuni noi de instrumente includ nregistrarea on-board a sunetului pentru analiza spectral. Instrumentele permit inspectorilor s confirme o diagnoz pe loc, deoarece ele difereniaz clar diferitele sunete din echipament. Un proces electronic numit "heterodyning" convertete precis ultrasunetele sesizate de ctre instrument n intervalul audibil, unde utilizatorii le pot auzi i recunoate cu ajutorul ctilor. Acest proces permit utilizatorilor s nregistreze evenimentele sonore cu ajutorul unor aparate de nregistrare convenionale. Majoritatea sunetelor sesizate de ctre om se situeaz ntre 20 Hz i 20 kHz (pragul uman maxim mediu este de 16.5 kHz). Mrimile lungimilor de und a acestor frecvene tind s fie relativ mai mari cnd se compar cu mrimile undelor sonore sesizate de ctre traductori de ultrasunete. Lungimea de und a sunetelor de joas frecven n intervalul audibil este de aproximativ 1.9 cm (3/4") pn la 17 m (56'), (cnd se folosete frecvena maxim medie de 16.5 kHz), pe cnd ultrasunetele detectate prin detectorii de ultrasunete este de doar 0.3 cm (1/8") pn la 1.6 cm (5/8"). Deoarece lungimile de und ale ultrasunetelor au amplitudini mai mici dect acelea din intervalul audibil, acestea au caracteristici care sunt favorabile pentru analiza strii. Un avantaj este acela c amplitudinea unor ultrasunete generate scade exponenial de la surs, fcnd posibil localizarea i izolarea uoar a emisiei pentru detectare i analiz. Tehnica AE vine direct pe componenta de nalt frecven (~ 100 kHz) a undelor elastice care sunt generate de ctre un mecanism n funciune. Semnalul rezultant AE este foarte puternic influenat de ctre procese greite i are o sensibilitate redus fa de efectele componentelor care funcioneaz normal (de exemplu, mainile

bune sunt mai silenioase la 100 kHz fa de defecte ale mainii, care duc la deteriorarea suprafeei de contact, produc o cretere pn la semnale foarte puternice). Datorit acestui fapt, este posibil s se analizeze semnalul cu ultrasunete. 4. Conectarea la un colector de date Majoritatea sistemelor cu ultrasunete au o ieire care poate fi conectat la un colector de date de vibraii. Setarea va fi aproximativ aceeai pentru toate i ceea ce se va face cu semnalul va fi de asemenea aproximativ asemntor. Exemple despre cum se conecteaz detectoarele de ultrasunete la un colector de date pot fi obinute de la productorul echipamentului. Toate se conecteaz ntr-un mod asemntor i vor da rezultate similare. La majoritatea detectoarelor de ultrasunete, ieirea este un semnal heterodyned astfel nct se poate vedea semnalul ca o reprezentare pe o scar direct a valorilor n uniti tehnice cum ar fi Voli, Ues sau chiar Gs. Definirea parametrului este arbitrar deoarece nu are nici o nsemntate ca valoare a amplitudinii. Aceasta este pur i simplu folosit pentru o analiz direct a funcionrii. 5. Analize Analize mult mai bune pot fi fcute prin folosirea unui sistem de nfurare care este oarecum similar cu heterodyning. nfurarea este un proces de demodulare care se folosete predominant pentru msurarea defectelor incipiente care sunt prezente cnd un rulment ncepe s se defecteze. Exist multe tipuri diferite de nfurare i multe dintre ele pot fi aplicate detectoarelor de ultrasunete. Prin folosirea circuitului de nfurare a colectorului de date, efectiv se nvelete dublu sistemul de nalt frecven. Este important de reinut faptul c se urmrete deteriorarea prematur a rulmentului i stratul su ungere. Grosimea stratului de fluid ntr-un rulment este mai mic de un micron, dac exist o ntrerupere a stratului se datoreaz lipsei ungerii sau impuritilor. Determinarea defectrii rulmentului este relativ simpl; trebuie fcute alegeri atente dac se cere detectarea problemelor rulmentului. Ultrasunetele pot fi o metod de determinare cnd rulmenii au o ungere proast sau apare o frecare a suprafeelor interne dintre metalele din structura rulmentului.

Exist unele tehnologii care sunt citiri directe de la un senzor. Acestea pot fi folosite mai uor ntr-un regim de monitorizare a strii cum sunt ele orientabile i accesibile. 6. Exemple Cu scopul de a demonstra diferena n monitorizarea unui rulment folosind un senzor de vibraii i ultrasunete aero-purtate, a fost monitorizat un rulment cnd a fost instalat pentru prima oar i apoi cnd a fost prima dat n stare de defect.

7. Capcane Este n general dificil s se orienteze ieirea detectoarelor de ultrasunete, unitile nu sunt scalabile i vor varia n funcie de cnd este poziionat senzorul de la nceperea msurrii rulmentului. Detectorul de ultrasunete este direcional i trebuie avut grij pentru a se asigura c sursa ultrasunetelor este monitorizat efectiv. 8. Concluzii Suplimentarea testrii vibraiei cu analiza spectral a semnalului de ieire din detectorul de ultrasunete poate fi un instrument folositor cnd este folosit pentru analiza defectrii rulmentului sau a altor tipuri de defecte mecanice. Unele instrumente ultrasonice detecteaz frecvene n jur de 40 kHz 20 kHz. Altele au filtre acordabile, toate fiind n general potrivite pentru gsirea problemelor ntr-un regim de fiabilitate bazat pe monitorizarea strii. Semnalele ultrasonore sunt demodulate pentru a produce un semnal audibil, care este auzit folosind ctile, sau este vzut folosind colectorul de date. Amplitudinile spectrelor nu depind doar de gravitate ci i de mediul prin care trec

semnalele. Ca urmare, datele nu sunt uor accesibile i deci sunt dificil de urmrit. Cu toate acestea, prin folosirea colectorului de date, datele spectrale pot fi analizate i poate fi determinat cauza problemei mainii. Frecvenele rulmentului defect pot fi auzite iar spectrul lor poate fi vzut chiar prin considerarea datelor ca mrime ncepnd de la 10 picioare. Practic, analistul mainii poate scana rapid maina cu detectorul de ultrasunete i cu ctile. Cnd este detectat un sunet neobinuit dintr-un rulment, atunci o msurare cu colectorul de date va da analistului date folositoare. Pentru colectarea datelor uzuale inclusiv orientarea, colectorul de date i un accelerometru rmne nc cea mai bun alegere. Detector on-line de ultrasunete pentru transformatoare de putere Rezumat: Acest capitol descrie un detector on-line de ultrasunete i un algoritm de difereniere a ultrasunetelor care a fost dezvoltat pentru a monitoriza descrcrile pariale ntr-un transformator de curent. Un detector on-line de ultrasunete are un filtru trece band pe frecvenele 50~300 kHz pentru a nltura zgomotele electrice i mecanice dintr-un transformator. Un algoritm de difereniere a ultrasunetelor este folosit pentru a distinge din zgomot, semnalul ultrasonor datorat descrcrii pariale. n acest capitol, msurrile i analiza descrcrii pariale au fost ndeplinite de ctre detectorul de ultrasunete ntr-un transformator curent de 145 kV al crui gaz C2H2 a fost produs la nivelul de alarm n analiza gazului din ulei. Au fost detectate semnale ultrasonore de ctre senzorul de pe ntritura de oel a transformatorului, i a fost estimat poziia descrcrii pariale. Verificnd, s-au gsit urme carbonizate datorit descrcrii pariale pe urubul suport care fixeaz nfurrile, aa cum era de ateptat. 1. Introducere Studii asupra tehnicilor cu ultrasunete pentru detectarea descrcrii pariale ntrun transformator au fost introduse n Koreea nc din anii '90. Dezvoltarea unui detector de ultrasunete i studii experimentale care foloseau un model de laborator a unui transformator a sugerat posibilitatea detectrii descrcrilor pariale dintr-un transformator [1]. Totui, s-a spus c este dificil aplicarea tehnicilor de detectare a

semnalului ultrasonor pentru un transformator de operare datorit diferitelor zgomote i a sensibilitii sczute pe poziie. Conform rezultatelor date de EPRI [2], zgomotul datorat ferei electromagnetice a transformatorului are 20~70 kHz, iar semnalul ultrasonor datorat descrcrilor pariale dintr-un transformator are 100~250 kHz, cu o frecven dominant de aproximativ 150 kHz. n cest capitol, detectorul ultrasonor a fost aplicat pe un transformator de 154 kV, i au fost prezentate rezultatele detectrii semnalelor ultrasonore datorate descrcrilor pariale din transformator. Transformatorul a fost folosit la nivelul de siguran a gazului C2H2. A fost detectat semnalul ultrasonor pe ntritura de oel a transformatorului, i a fost estimat poziia descrcrii pariale. O verificare vizual atent a fost dus la bun sfrit pe baza rezultatelor date de detectorul de ultrasunete. 2. Evoluia detectorului on-line de ultrasunete Recent, multe dispozitive de monitorizare on-line, cum ar fi analizorul de gaz din ulei, detectorul de descrcri pariale, detectorul de semnal ultrasonor, termometrul i monitorul OLTC, etc., s-au dezvoltat pentru detectarea simptomelor anormale care conduceau la defectarea transformatorului [3]. Datele obinute din instrumentele de monitorizare on-line, au fost memorate n server, ntr-un sistem de diagnosticare preventiv, iar anormalitatea transformatorului a fost determinat printr-un nivel standard fixat i urmrirea continu a datelor. Sistemul de diagnosticare preventiv poate determina tipurile de anormaliti prin intermediul relaiei dintre datele obinute cu instrumentele de monitorizare on-line. Figura 1 arat un exemplu despre cum este aplicat detectorul on-line de ultrasunete la un transformator de putere. Cum se arat n figura 1, au fost montai civa senzori de ultrasunete pe ntritura exterioar de oel a transformatorului, pentru a msura continuu semnalele ultrasonore datorate descrcrilor pariale, iar aceste semnale sunt procesate de ctre detectorul on-line de ultrasunete i apoi transferate la sistemul de diagnosticare preventiv. Sistemul monitorizeaz apariia semnalului ultrasonor i locaia descrcrii pariale. Detectorul on-line de ultrasunete conine senzori de ultrasunete, un preamplificator, un modul de procesare a semnalului analog, un modul de procesare a semnalului digital i un modul principal de control. Senzorul ultrasonic are frecvena de rezonan de 150 kHz corespunztoare frecvenei caracteristice a semnalului ultrasonor

datorat descrcrii pariale n transformator, ceea ce mrete sensibilitatea fa de semnalul ultrasonor. n plus, un preamplificator cu cretere de 60 dB a fost instalat lng senzor, pentru a face mai uoar i mai robust analiza semnalului n modulele de procesare a semnalului pentru diferitele zgomote dintr-o substaie cnd semnalele sunt transferate la detectorul on-line de ultrasunete. Semnalul ultrasonor datorat descrcrii pariale din transformator este sczut exponenial, iar durata semnalului ultrasonor este de cteva sau zeci de milisecunde. Totui, durata semnalului de zgomot electric datorat descrcrii corona din liniile de transmisie superioare este mai mic de cteva microsecunde, iar durata zgomotului ultrasonor datorat activitii OLTC este de peste cteva sute de milisecunde. Din acest motiv, semnalul real datorat descrcrii pariale poate fi deosebit folosind durata semnalului detectat.

3. Teste i rezultate

Pentru detectarea semnalelor ultrasonore datorate descrcrilor pariale, au fost montai 6 senzori ultrasonici pe ntritura de oel a unui transformator de 154 kV i s-a conectat un dispozitiv de nregistrare la detectorul on-line de ultrasunete pentru a salva forma de und a ultrasunetului. Transformatorul de 154 kV a fost n funciune din 1998 i a atins nivelul de atenie a gazului C2H2 din Ianuarie 2001, dup cum se arat n Tabelul 1. n general, gazul C2H2 este produs n transformator de ctre arcul electric datorat scurtcircuitrii nfurrilor, descrcare n izolatorul lichid sau solid. Testul de detectare ultrasonor a fost realizat de 3 ori, respectiv, pentru a confirma existena descrcrii pariale i pentru a o localiza. Mai nti, s-a examinat n primul test (2001.7.23-24) dac semnalul ultrasonor datorat descrcrii pariale, exist sau nu. Dup detectarea semnalului ultrasonor, senzorii ultrasonici au fost mutai, pentru al doilea test (2001.7.24-25), pe poziia estimat a descrcrii pariale, pentru detectarea mai exact a semnalului ultrasonor. Analiza gazului din ulei a fost realizat din nou dup al doilea test, pentru a confirma c gazul C2H2 a fost produs n continuare. Dup o lun, n al treilea test (2001.8.20-21), a fost estimat mai exact poziia descrcrii pariale. Pe baza rezultatelor analizei gazului din