Principios y Aplicaciones del Ultrasonido en la Industria

Ultrasonido y Piezoelectricidad

El ultrasonido se basa en la piezoelectricidad, una propiedad de ciertos materiales sólidos (como el cuarzo, la sal de Rochelle y el titanio de bario) para generar cargas eléctricas internas al ser deformados por una fuerza mecánica externa. Inversamente, al aplicarles una carga eléctrica, estos materiales responden con una deformación mecánica.

Elemento Transductor Piezoeléctrico

Sobre dos caras de una cerámica piezoeléctrica, se colocan electrodos a los que se sueldan dos terminales. Al aplicar una fuerza (F) en la dirección del espesor (d), se genera una carga eléctrica con un voltaje (Eo). (Eo=q/C), donde C es la capacidad equivalente entre los electrodos separados por un aislante. Este efecto es sensible a la dirección: una tracción produce un voltaje de polaridad definida y una compresión, un voltaje de polaridad opuesta. Se aplica en la generación de ondas de presión ultrasónicas.

Aplicaciones del Ultrasonido

El término ultrasonido designa una clase particular de ondas sonoras. Sus características principales son su velocidad de propagación (en aire a 20°C es de 344 m/s), la frecuencia y la longitud de onda. El ultrasonido se refleja en la superficie de un objeto que se encuentre en su campo de influencia, lo que lo convierte en un medio eficaz para mediciones de presencia, distancias o niveles de fluidos. Las ondas ultrasónicas se atenúan proporcionalmente con la distancia, perdiendo energía.

Sensibilidad

La sensibilidad de un captador ultrasónico expresa el nivel de señal de voltaje producido por el transductor en función de la presión sonora cuando actúa como receptor.

Presión Ultrasónica

La característica de presión ultrasónica del captador actuando como emisor se determina mediante diferentes métodos:

• Detección de nivel de señal de onda continua: Se utiliza en máquinas de conteo donde el transmisor emite continuamente y el receptor detecta la presencia del objeto por la reflexión producida en su superficie.
• Medida del tiempo de reflexión de pulsos: Se utiliza en apertura automática de puertas donde el ambiente es cambiante. El sistema actúa cuando se detecta un cierto número de pulsos reflejados. También sirve para la detección de niveles de fluidos midiendo el tiempo transcurrido entre el pulso emitido y el detectado (propagación a la distancia o nivel).
• Medidas basadas en el efecto Doppler: La presencia de personas en movimiento sobre la zona de onda ultrasónica provoca la modulación de la señal de la presión reflejada. La detección de esta señal evidencia la presencia. La medida de distancia se obtiene: Distancia (m) = Velocidad del ultrasonido (Vc) x Tiempo (T) / 2.

Presión

Principio de Funcionamiento

Se basa en la captación de la presión hidrostática ejercida por la columna de líquido en el interior del mismo.

1 bar = 14.5 psi = 0.987 atm = 1.02 kg/cm2 = 100 kPa

s = 20 log E/P Pu = 20 log P/Pr (2.10-4)

ph = pgh = p1 - p2 p = F/A