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Se muestra un transductor ultrasónico (UT) EMAT con un UT piezoeléctrico convencional .

El transductor acústico electromagnético ( EMAT ) es un transductor para la generación y recepción de ondas acústicas sin contacto en materiales conductores. Su efecto se basa en mecanismos electromagnéticos , que no necesitan acoplamiento directo con la superficie del material. Debido a esta característica sin acoplador, los EMAT son particularmente útiles en ambientes hostiles, es decir, calientes, fríos, limpios o secos. Los EMAT son adecuados para generar todo tipo de ondas en materiales metálicos y / o magnetoestrictivos . Dependiendo del diseño y la orientación de las bobinas e imanes, modo de onda masiva de corte horizontal (SH) (haz normal o haz angular), onda de superficie, ondas de placa como ondas SH y Lamb, y se pueden excitar todo tipo de otros modos masivos y de onda guiada. [1] [2] [3] Después de décadas de investigación y desarrollo, EMAT ha encontrado sus aplicaciones en muchas industrias, como la fabricación y procesamiento de metales primarios, la industria automotriz, ferroviaria, de tuberías, calderas y recipientes a presión , [3] en las que se utilizan normalmente para ensayos no destructivos (END) de estructuras metálicas.

Componentes básicos

Hay dos componentes básicos en un transductor EMAT. Uno es un imán y el otro es una bobina eléctrica. El imán puede ser un imán permanente o un electroimán , que produce un campo magnético estático o cuasiestático. En la terminología EMAT, este campo se denomina campo magnético de polarización. La bobina eléctrica se acciona con una señal eléctrica de corriente alterna (CA) en ultrasonidos.frecuencia, típicamente en el rango de 20 kHz a 10 MHz. Según las necesidades de la aplicación, la señal puede ser una onda continua, un pulso de pico o una señal de ráfaga de tono. La bobina eléctrica con corriente alterna también genera un campo magnético de corriente alterna. Cuando el material de prueba está cerca del EMAT, se generan ondas ultrasónicas en el material de prueba a través de la interacción de los dos campos magnéticos.

Mecanismo de transducción

Hay dos mecanismos para generar ondas a través de la interacción del campo magnético. Uno es la fuerza de Lorentz cuando el material es conductor. La otra es la magnetoestricción cuando el material es ferromagnético.

Fuerza de Lorentz

La corriente alterna en la bobina eléctrica genera corrientes parásitas en la superficie del material. De acuerdo con la teoría de la inducción electromagnética, la distribución de la corriente parásita es solo en una capa muy delgada del material, llamada profundidad de la piel. Esta profundidad se reduce con el aumento de la frecuencia de CA, la conductividad del material y la permeabilidad. Por lo general, para la excitación de CA de 1 MHz, la profundidad de la piel es solo una fracción de milímetro para metales primarios como acero, cobre y aluminio. La corriente de Foucault en el campo magnético experimenta la fuerza de Lorentz. En una vista microscópica, la fuerza de Lorentz se aplica sobre los electrones en la corriente de Foucault. En una vista macroscópica, la fuerza de Lorentz se aplica en la región de la superficie del material debido a la interacción entre electrones y átomos. La distribución de la fuerza de Lorentz está controlada principalmente por el diseño del imán y el diseño de la bobina eléctrica, y se ve afectada por las propiedades del material de prueba, la posición relativa entre el transductor y la pieza de prueba y la señal de excitación del transductor. La distribución espacial de la fuerza de Lorentz determina la naturaleza precisa de las perturbaciones elásticas y cómo se propagan desde la fuente. La mayoría de las aplicaciones EMAT exitosas se basan en el mecanismo de fuerza de Lorentz. [4]

Magnetostricción

Un material ferromagnético tendrá un cambio dimensional cuando se aplica un campo magnético externo. Este efecto se llama magnetostricción . El campo de flujo de un imán se expande o colapsa dependiendo de la disposición del material ferromagnético que tiene voltaje inductor en una bobina y la cantidad de cambio se ve afectada por la magnitud y dirección del campo. [5] La corriente CA en la bobina eléctrica induce un campo magnético CA y, por lo tanto, produce magnetostricción a frecuencia ultrasónica en el material. Las perturbaciones causadas por la magnetostricción se propagan en el material como una onda de ultrasonido.

En material policristalino, la respuesta a la magnetoestricción es muy complicada. Se ve afectado por la dirección del campo de polarización, la dirección del campo de la bobina eléctrica de CA, la fuerza del campo de polarización y la amplitud de la corriente de CA. En algunos casos, se pueden observar uno o dos picos de respuesta con el aumento del campo de sesgo. En algunos casos, la respuesta se puede mejorar significativamente con el cambio de dirección relativa entre el campo magnético de polarización y el campo magnético de CA. Cuantitativamente, la magnetoestricción puede describirse en un formato matemático similar al de las constantes piezoeléctricas. [5] Empíricamente, se necesita mucha experiencia para comprender completamente el fenómeno de la magnetoestricción.

El efecto de magnetoestricción se ha utilizado para generar ondas de tipo SH y Lamb en productos de acero. Recientemente, debido al efecto de magnetoestricción más fuerte en el níquel que en el acero, se han desarrollado sensores de magnetoestricción que utilizan parches de níquel para las pruebas no destructivas de productos de acero.

Comparación con transductores piezoeléctricos

Como método de prueba ultrasónica (UT), EMAT tiene todas las ventajas de UT en comparación con otros métodos NDT. Al igual que las sondas UT piezoeléctricas, las sondas EMAT se pueden utilizar en configuraciones de pulso-eco, tono-captura y transmisión directa. Las sondas EMAT también se pueden ensamblar en sondas de matriz en fase, lo que brinda capacidades de enfoque y dirección del haz. [6]

Ventajas

En comparación con los transductores piezoeléctricos, las sondas EMAT tienen las siguientes ventajas:

  1. No se necesita acoplante. Basado en el mecanismo de transducción de EMAT, no se requiere acoplante. Esto hace que EMAT sea ideal para inspecciones a temperaturas por debajo del punto de congelación y por encima del punto de evaporación de los acoplantes líquidos. También lo hace conveniente para situaciones en las que el manejo del acoplador no sería práctico.
  2. EMAT es un método sin contacto. Aunque se prefiere la proximidad, no se requiere un contacto físico entre el transductor y la muestra bajo prueba.
  3. Inspección en seco. Dado que no se necesita acoplador, la inspección EMAT se puede realizar en un ambiente seco.
  4. Menos sensible a las condiciones de la superficie. Con transductores piezoeléctricos de contacto, la superficie de prueba debe mecanizarse suavemente para asegurar el acoplamiento. Con EMAT, los requisitos para la suavidad de la superficie son menos estrictos; el único requisito es eliminar las escamas sueltas y similares.
  5. Más fácil para el despliegue del sensor. Usando un transductor piezoeléctrico, el ángulo de propagación de la onda en la parte de prueba se ve afectado por la ley de Snell . Como resultado, una pequeña variación en el despliegue del sensor puede provocar un cambio significativo en el ángulo de refracción.
  6. Más fácil de generar ondas tipo SH. Usando transductores piezoeléctricos, la onda SH es difícil de acoplar a la pieza de prueba. EMAT proporciona un medio conveniente para generar ondas masivas SH y ondas guiadas SH.

Desafíos y desventajas

Las desventajas de EMAT en comparación con UT piezoeléctrico se pueden resumir de la siguiente manera:

  1. Baja eficiencia de transducción. Los transductores EMAT normalmente producen una señal sin procesar de menor potencia que los transductores piezoeléctricos. Como resultado, se necesitan técnicas de procesamiento de señales más sofisticadas para aislar la señal del ruido.
  2. Limitado a productos metálicos o magnéticos. Los NDT de material plástico y cerámico no son adecuados o al menos no son convenientes con EMAT.
  3. Restricciones de tamaño. Aunque hay transductores EMAT tan pequeños como un centavo, los transductores que se usan comúnmente son de gran tamaño. Los problemas de EMAT de bajo perfil todavía están en investigación y desarrollo. Debido a las limitaciones de tamaño, la matriz en fase EMAT también es difícil de fabricar a partir de elementos muy pequeños.
  4. Se debe tener cuidado al manipular imanes alrededor de productos de acero.

Aplicaciones

EMAT se ha utilizado en una amplia gama de aplicaciones y tiene el potencial de utilizarse en muchas otras. Una lista breve e incompleta es la siguiente.

  1. Medición de espesores para diversas aplicaciones [7]
  2. Detección de defectos en productos de acero
  3. Inspección de defectos de laminación de placas
  4. Detección de laminación de estructura adherida [8] [9]
  5. Inspección de soldadura por láser para componentes de automoción
  6. Inspección de soldaduras para uniones de bobinas, tubos y tuberías [10]
  7. Inspección en servicio de oleoductos [11] [12]
  8. Inspección de rieles y ruedas de ferrocarril
  9. Inspección de soldaduras austeníticas para la industria energética [6]
  10. Caracterización de materiales [13] [14]

Además de las aplicaciones mencionadas anteriormente, que entran en la categoría de ensayos no destructivos , los EMAT se han utilizado en la investigación de la comunicación ultrasónica , donde generan y reciben una señal acústica en una estructura metálica. [15] La comunicación ultrasónica es particularmente útil en áreas donde no se puede utilizar la radiofrecuencia. Esto incluye entornos submarinos y subterráneos, así como entornos sellados, por ejemplo, comunicación con un sensor dentro de un tanque de presión.

Referencias

  1. ^ RB Thompson, Principios físicos de las mediciones con transductores EMAT, métodos de medición ultrasónica, acústica física Vol XIX, editado por RN Thurston y Allan D. Pierce, Academic Press, 1990
  2. ^ BW Maxfield, A. Kuramoto y JK Hulbert, Evaluación de diseños EMAT para aplicaciones seleccionadas, Mater. Eval. , Vol 45, 1987, p1166
  3. ^ a b Tecnologías de Innerspec
  4. ^ BW Maxfield y Z. Wang, 2018, Transductores acústicos electromagnéticos para evaluación no destructiva, en ASM Handbook, Volumen 17: Evaluación no destructiva de materiales , ed. A. Ahmad y LJ Bond, ASM International, Materials Park, OH, págs. 214-237.
  5. ^ a b Masahiko Hirao y Hirotsugu Ogi, EMATS para ciencia e industria, Kluwer Academic Publishers, 2003
  6. ^ a b Gao, H. y B. Lopez, "Desarrollo de EMAT de un solo canal y de matriz en fase para la inspección de soldaduras austeníticas", Evaluación de materiales (ME), vol. 68 (7), 821-827, (2010).
  7. ^ M Gori, S Giamboni, E D'Alessio, S Ghia y F Cernuschi, 'Transductores EMAT y caracterización de espesores en tubos de calderas envejecidos', Ultrasonics 34 (1996) 339-342.
  8. ^ S Dixon, C Edwards y SB Palmer, 'El análisis de uniones adhesivas utilizando transductores acústicos electromagnéticos', Ultrasonics Vol. 32 No. 6, 1994.
  9. ^ H. Gao, SM Ali y B. Lopez, "Detección eficiente de delaminación en estructuras multicapa utilizando EMAT de ondas guiadas ultrasónicas" en NDT & E International Vol. 43 de junio de 2010, págs: 316-322.
  10. ^ H. Gao, B. Lopez, SM Ali, J. Flora y J. Monks (Innerspec Technologies), "Pruebas en línea de tubos ERW utilizando EMAT de onda guiada ultrasónica" en el 16 ° Congreso Nacional de Mecánica Teórica y Aplicada de EE. UU. (USNCTAM2010- 384), State College, PA, EE. UU., 27 de junio al 2 de julio de 2010.
  11. ^ M Hirao y H Ogi, 'Una técnica EMAT de ondas SH para la inspección de gasoductos', NDT & E International 32 (1999) 127-132
  12. ↑ Stéphane Sainson, 'Inspection en ligne des pipelines: principes et méthodes, Ed. Lavoisier 2007 '
  13. ^ H. Ogi, H. Ledbetter, S. Kim y M. Hirao, "Espectroscopia de ultrasonido de resonancia selectiva de modo sin contacto: resonancia acústica electromagnética", Revista de la ASA, vol. 106, págs. 660-665, 1999.
  14. ^ MP da Cunha y JW Jordan, "Transductor EMAT longitudinal mejorado para extracción constante elástica", en Proc. IEEE Inter. Frec. Contr. Symp, 2005, págs. 426-432.
  15. ^ X. Huang, J. Saniie, S. Bakhtiari y A. Heifetz, "Diseño de sistemas de comunicación ultrasónica con transductor acústico electromagnético", en el Simposio internacional de ultrasonidos (IUS) de IEEE 2018, 2018, págs. 1–4.

Códigos y estándares

  • ASTM E1774-96 Guía estándar para transductores acústicos electromagnéticos (EMAT)
  • ASTM E1816-96 Práctica estándar para exámenes ultrasónicos con tecnología de transductor acústico electromagnético (EMAT)
  • Métodos de prueba estándar ASTM E1962-98 para exámenes ultrasónicos de superficies utilizando tecnología de transductor acústico electromagnético (EMAT)

Enlaces externos